Деградация структур Si-SiO2 с поликремниевым затвором при гамма-облучении в зависимости от напряжения смещения

ДЕГРАДАЦИЯ СТРУКТУР 81-8102 С ПОЛИКРЕМНИЕВЫМ ЗАТВОРОМ ПРИ ГАММА-ОБЛУЧЕНИИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ НАПРЯЖЕНИЯ СМЕЩЕНИЯ

А.М. Скворцов, В.И. Соколов, Р.А. Халецкий, Ю.В. Смирнов

В работе приводятся результаты исследования влияния гамма-излучения на зарядовые характеристики структур 81-БЮ2 с поликремниевым полевым электродом при облучении под напряжением смещения. Показано, что характер радиационной деградации образцов является различным для отрицательной и положительной полярностей смещения. Обсуждаются механизмы, обуславливающие изменение зарядовых свойств экспериментальных структур, при облучении под напряжением.

Введение

Полупроводниковые МОП интегральные схемы (ИС) широко используются в качестве элементной базы современной вычислительной техники. При эксплуатации МОП ИС в условиях воздействия ионизирующего излучения в подзатворном диоксиде кремния протекают процессы зарядовой деградации, что приводит к сбоям в работе ИС. Поэтому радиационная стабильность системы подложка-диэлектрик-затвор является одним из основных требований, предъявляемых к МОП ИС.

В настоящее время основным материалом затвора МОП-транзистора является поликристаллический кремний, использование которого обеспечивает значительные преимущества МОП ИС по сравнению со схемами с алюминиевыми полевыми электродами [1, 2].

Однако использование в МОП ИС в качестве затвора МОП-транзисторов поликристаллических пленок приводит к появлению зарядовой нестабильности подзатвор-ного окисла. Механизм зарядовой нестабильности связывается с различного рода факторами, такими как: влияние водорода, которым пересыщена пленка поликремния, на внутреннюю границу раздела кремний-окисел [3]; генерация на внешней границе раздела окисел-поликремниевый затвор особых электрически активных центров [4]; влияние механических напряжений, генерируемых поликремниевой пленкой [5, 6]. Однако полного физико-химического понимания этих явлений пока не существует, тем более недостаточно изучены процессы радиационной деградации структур кремний-окисел-поликремний. В работе [3] отмечается, что КМОП ИС с поликремниевыми затворами отличаются невысокой устойчивостью к облучению. Согласно автору [4], процессы зарядовой деградации на внешней границе раздела окисел-поликремний при облучении протекают наиболее интенсивнее по сравнению с подобными процессами вблизи внутренней границы раздела окисел-подложка, которые исследованы, например в [7-10].

Поэтому уточнение и расширение понимания процессов, происходящих в структуре кремний-диоксид кремния с поликристаллическим полевым электродом при воздействии ионизирующего излучения, и явилось целью настоящей работы.

Сущность эксперимента

Экспериментальные образцы представляли собой структуры 81-8Ю2-& -А1, которые получались следующим образом. Подложкой образцов служил кремний электронного типа проводимости марки КЭФ 7,5 (100). После предварительной химической очистки пластин в смеси Каро и перекисно-аммиачном растворе производилось термическое окисление в различных режимах, представленных в таблице.

После окисления образцы проходили этап формирования затвора из поликристаллического кремния. Осажденный при 640оС из Б1Н4 слой (0,6 мкм), легировался фосфором методом термической диффузии в течение 1 ч при температуре 860оС. После фотогравировки в слое производился окончательный отжиг поликремния при 860оС

в течение 30 мин в среде азота. Затем термовакуумным напылением на обе стороны пластины для получения омического контакта наносился слой А1 с последующими фотогравировкой в верхнем слое А1 и отжигом при температуре 450оС в течение 15 мин в среде влажного азота. Следует отметить, что условия и режимы, используемые при получении образцов, 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. При облучении структуры находились под напряжением смещения на затворе различной величины и полярности. До и после облучения измерялись высокочастотные ВФХ экспериментальных образцов. По сдвигу ДиМо ВФХ на уровне емкости СМо, соответствующей пересечению уровня Ферми середины запрещенной зоны кремния, рассчитывалось изменение плотности встроенного заряда в окисле:

ДQf = ДиМоСмо.

Результаты эксперимента и их обсуждение

На рис. 1 показано, как изменяется плотность встроенного заряда в окисле различных экспериментальных структур при облучении в зависимости от напряженности поля в БЮ2, которая рассчитывалась как

Е = иМ,

где и - напряжение смещения на затворе, ё - толщина диоксида кремния. Плюс на затворе соответствует положительным значениям электрической напряженности.

Из рис. 1 видно, что в результате облучения в диоксиде кремния встраивается положительный заряд. При этом характер наведения этого встроенного заряда зависит от величины и полярности прикладываемого на структуру напряжения. Следует отметить различный характер изменения заряда при увеличении модуля величины напряжения смещения для различных полярностей и. При увеличении абсолютного значения напряжения смещения отрицательной полярности происходит монотонное увеличение встроенного заряда в окисле. При этом наблюдается корреляция между скоростью изменения встроенного заряда и технологическими режимами формирования подзатвор-ного диоксида кремния. В структурах с окислом, полученным по комбинированной схеме окисления (образцы № 1 и 2), происходит более интенсивное увеличение положительного встроенного заряда при облучении по сравнению со структурами с сухим окислом.

На положительной оси характер радиационного изменения плотности фиксированного заряда в окисле существенно отличается по сравнению с характером изменения на отрицательной оси. Во-первых, необходимо отметить резкий скачок Л и при смене полярности напряжения смещения на затворе. Во-вторых, наблюдается немонотонный характер изменения заряда при увеличении напряженности с максимумом.

о- образец № 1

и 1-1-1-1-1-1-[-1-1

-4 -2 0 2 4

Напряженность электрического поля в окисле, МВ/см

Рис. 1. Изменение плотности встроенного заряда в окисле экспериментальных структур при облучении под смещением

Таким образом, различный характер изменения плотности встроенного заряда для различных полярностей на затворе свидетельствует о различных механизмах деградации, происходящих при облучении. Элементарным актом взаимодействия гамма-кванта с диоксидом кремния является образование неравновесной электронно-дырочной пары и захват образованных дырок на напряженные кремний-кислородные связи в переходной области окисла [7-10]. При положительной полярности на затворе образованные носители заряда разделяются электрическим полем. Дырки из объема двигаются к границе раздела в направлении катода, а электроны стекают на затвор-анод. Неравновесные дырки, пришедшие из объема, участвуют в процессах дефектообразования, приводя к соответствующему увеличению положительного заряда. Смена положительной полярности на отрицательную приводит к резкому уменьшению интенсивности захвата неравновесных дырок, и, в этом случае, процессы увеличения радиационного заряда связаны с дырками, образующимися непосредственно в переходной области БьБЮг.

Сложный характер поведения зависимости ЛЦ(Е), на рис. 1 на положительной оси объясняется, по-видимому, тем, что с увеличением поля увеличивается кинетическая энергия неравновесных дырок, что понижает энергетический барьер для возникновения дефектообразования, в итоге происходит более интенсивное образование заряженных дефектов. Однако с дальнейшим увеличением напряженности часть дырок приобретает достаточную энергию для преодоления границ окисла, и дырки покидают окисел, не участвуя в процессах дефектообразования.

Как указывалось выше, при облучении под отрицательным напряжением на структуре наблюдается корреляция скорости изменения заряда с условиями термического окисления экспериментальных образцов. В случае облучения под положитель-

ным напряжением такой четкой корреляции не наблюдается. Объяснить механизм наблюдаемого явления пока не удается, что требует проведение дополнительных исследований.

При отрицательной полярности затвора неравновесные дырки, индуцированные в объеме диоксида кремния, не участвуют в процессах образования и заряжения дефектов в приграничной к кремнию области SiO2. В таком режиме заряжаются дефекты, концентрация которых зависит от условий термического окисления. В данном случае влажные окислы характеризуются большим изменением плотности заряда, обусловленного радиацией, по сравнению с сухими окислами (рис. 1).

Увеличение радиационного заряда при увеличении по модулю отрицательного напряжения смещения на затворе (рис. 1) обусловлено, по всей вероятности, уменьшением энергетического барьера для инжекции дырок из приповерхностной инверсионной области p-типа в приграничную область диоксида кремния.

Заключение

Таким образом, показано, что характер радиационной деградации экспериментальных структур Si-SiO2-Si-Al является различным для отрицательной и положительной полярностей смещения в период облучения, что обусловливается различием в механизме образования радиационных дефектов. Однако для более полного понимания рассмотренных в работе явлений необходимо проведение дополнительных исследований.

Литература

1. Черняев В. Н. Технология производства интегральных микросхем и микропроцессоров. М.: Радио и связь, 1987. 464 с.

2. С. Зи, Физика полупроводниковых приборов. В 2-х кн. Кн. 1. М.: Мир, 1984, 455 с.

3. Зайцев Н. А., Шурчков И. О. Структурно-примесные и электрофизические свойства системы SiO2-Si. М.: Радио и связь, 1993. 192 с.

4. 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.

5. Дракин К.А., Манжа Н.М., Патюков С. М., Чистяков Ю.Д. Стабилизация сопротивления пленок поликристаллического кремния при физикотермических воздействиях. // Электронная промышленность. 1988. В. 7. С. 35-38.

6. Глебов А.С., Зайцев Н.А., Манжа Н.М. Снижение величины эффективного заряда в МДП-структурах. // Электронная промышленность. 1994, № 1. С. 71-72.

7. 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.

8. Lenahan P. M., Dressendorfer P. V. Radiation-induced paramagnetic defects in MOS structures. // IEEE Transactions on Nuclear Science. Dec. 1982. Vol. NS-29. Р. 14591461.

9. Dragan M., Draghici I., Sachelarie D., Sachelarie M. Technology of the radiation hardened MOS devices. // Technology of the radiation hardened MOS. 1981. V. 33. №. 3. Р. 285-296.

10. Васильева Е.Д., Колотов М.Н., Нахимович М.В., Соколов В.И. Зарядовые состояния переходной области Si-SiO2 при радиационной и термополевой обработке. // Микроэлектроника. 2000. Том 29. №1. С. 27-31.