Способ повышения радиационной стойкости микросхем статических ОЗУ на структурах "кремний на сапфире"
METHOD FOR INCREASING RADIATION RESISTANCE OF STATIC RAM MICROCIRCUITS ON STRUCTURES "SILICON ON SAPPHIRE"

Изобретение относится к области микроэлектроники и может быть использовано при создании радиационно-стойкой электронной компонентной базы.
К микросхемам статических оперативных запоминающих устройств (ОЗУ), предназначенных для применения в радиационно-стойких устройствах систем управления и связи, предъявляются повышенные требования по обеспечению сбоеустойчивости при предельных уровнях ионизирующего излучения. Кроме того микросхемы должны выдерживать также дозовые предельные нагрузки. Выполнение требований по стойкости к импульсным и дозовым внешним воздействующим факторам обусловливает модификацию их конструкции и технологии изготовления.
Известны способы (Патент США №6744661 от 01.06.2004, Патент США №5631863 от 20.05.1997, Патент РФ №2507611, опубликован 20.02.2014, Патент РФ №2573226, опубликован 27.09.2015) повышения сбоеустойчивости микросхем статических ОЗУ за счет модификации схемотехнического и конструктивного выполнения ячеек памяти на комплементарных металл-окисел-полупроводник (КМОП) инверторах. Данные способы эффективны при воздействии импульсного ионизирующего излучения. Повышение уровня радиационной стойкости к накопленной дозе данные решения не обеспечивают.
+
+
+
Известен радиационно-стойкий элемент памяти для статических оперативных запоминающих устройств на комплементарных металл-окисел-полупроводник транзисторах (Патент РФ №2674935, опубликован 13.12.2018). Повышение радиационной стойкости элемента памяти, выполненного по технологии объемного кремния, достигается за счет наличия контактов р и n к подложке и «карману», подключенных к шинам нулевого потенциала и питания соответственно и распологающимся в каждом элементе матрицы памяти рядом с границей подложка-«карман», за счет увеличения длины и ширины канала n и р-канальных транзисторов триггера элемента памяти, а также за счет выполнения р-канальных транзисторов триггера элемента памяти в виде двух параллельно соединенных транзисторов с общей р областью стоков.
Стойкость к воздействию мощности дозы импульсного ионизирующего излучения в данном патенте не рассматривается.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ увеличения радиационной стойкости элементов МОП схем на подложке «кремний на изоляторе» (КНИ) (Патент РФ №2320049, опубликован 20.03.2008). В данном патенте, который может быть взят за прототип, проводят легирование фтором через рабочий слой кремния границы раздела кремний - скрытый окисел с энергией, которая обеспечивает максимум концентрации в нижней части рабочего слоя кремния. Энергия имплантации ионов фтора выбирается в зависимости от толщины рабочего слоя кремния. Выбирается также оптимальная доза легирования, достаточная для компенсации поверхностных уровней на границе и создающая минимум повреждения кремния.
Увеличение радиационной стойкости к накопленной дозе ионизирующего излучения элементов КМОП схем на КНИ подложках достигается за счет снижения концентрации нейтральных ловушек в скрытом и подзатворных окислах.
Недостатком способа, выбранного за прототип, является наличие дополнительной операции имплантации ионами фтора, которая вносит в активные области структур дополнительные радиационные дефекты, обусловливающие рост токов утечек стоковых р-n переходов транзисторов. Также утверждение о снижении концентрации нейтральных ловушек в скрытом окисле вызывает вопросы, т.к. ионы фтора, с учетом их полного пробега при имплантации, внедряются в скрытый окисел, внося радиационные дефекты. В способе декларируется увеличение стойкости элементов КМОП схем к отказам при наборе дозы ионизирующего излучения. Не рассматривается стойкость к воздействию импульсного ионизирующего излучения.
Техническим результатом заявляемого способа является повышение уровней радиационной стойкости микросхем статических ОЗУ, выполненных на структурах «кремний на сапфире» (КНС), к эффектам накопленной дозы и импульсного ионизирующего излучения.
2
+
17
-3
17
-3
13
2
13
2
Технический результат достигается тем, что в способе повышения радиационной стойкости микросхем статических ОЗУ на структурах «кремний на сапфире», включающем формирование рабочих областей элементов схемы плазмохимическим травлением кремния, легирование n- и р- карманов транзисторов, легирование обкладок конденсаторов, формирование областей р-охраны, формирование подзатворного диэлектрика и затворов, легирование областей истоков-стоков, формирование металлизации, пассивацию схемы и контроль функционирования, легирование р-карманов n-канальных транзисторов, как наиболее чувствительных к ионизирующему излучению, выполняют с использованием двух операций имплантации бором через буферный слой двуокиси кремния с повышением энергии ионов и имплантацией ионами BF с минимальной энергией, обеспечивающей легирование канала транзистора, последующий отжиг радиационных дефектов выполняют при температурах от 850°С до 900°С, при этом дозы легирования выбраны так, чтобы после термической активации получить равномерное распределение примеси с концентрацией в диапазоне от 1⋅10 см до 3⋅10 см в истоковом р-n переходе, легирование обкладок конденсаторов выполняют ионами бора для получения слоя р- типа проводимости, а низколегированные области истоков-стоков выполняют ионами фосфора и бора соответственно с дозами в диапазоне от 3.75⋅10 ион/см до 4,5⋅10 ион/см.
Кроме того легирование р-карманов n-канальных транзисторов выполняют с использованием двух операций имплантации бором через буферный слой двуокиси кремния с толщиной в диапазоне от 20 нм до 30 нм.
11
2
12
2
12
2
12
2
Кроме того первую имплантацию бором выполняют с энергией ионов в диапазоне от 30 кэВ до 40 кэВ и дозой в диапазоне от 6.25⋅10 ион/см до 1⋅10 ион/см, а вторую имплантацию - с энергией в диапазоне от 60 кэВ до 80 кэВ и дозой в диапазоне от 4⋅10 ион/см до 5⋅10 ион/см.
2
+
11
2
12
2
Кроме того имплантацию ионами BF выполняют с энергией в диапазоне от 30 кэВ до 40 кэВ и дозой в диапазоне от 6.25⋅10 ион/см до 2.5⋅10 ион/см.
На фигуре 1 представлена зависимость величины прироста тока стока транзисторов, после воздействия гамма излучения, от концентрации акцепторов в р-кармане при неравномерном (1), и равномерном (2) распределении заряда в сапфире.
На фигуре 2 представлена зависимость амплитуды импульсного тока потребления инверторов от температуры.
Способ реализуется следующим образом.
При изготовлении схем ОЗУ используют выращенные из газовой фазы гетероэпитаксиальные структуры кремния ориентации (100) на подложках из монокристаллического сапфира ориентации (-1012) (так называемый R-срез) с толщиной слоя кремния 0.3 мкм. Кристаллы микросхем изготавливают по технологическому маршруту с использованием операций фотолитографии, осаждения диэлектрических и проводящих слоев, операций ионного легирования, термических обработок и плазмохимического травления.
-
+
-
+
Маршрут изготовления микросхем статического ОЗУ с микронными проектными нормами можно описать несколькими основными блоками технологических операций. Вначале проводится формирование электрически изолированных рабочих областей элементов схемы с использованием операции плазмохимического травления кремния. Затем проводится имплантация в области n- и р- карманов транзисторов по маскам фоторезиста. Имплантируют области обкладок конденсаторов и области р-охраны транзисторов. Выполняют формирование подзатворных окислов методом пирогенного окисления. Затворы изготавливают методом осаждения легированного поликристаллического кремния. Формирование n, n, р, р областей истоков/стоков транзисторов выполняют имплантацией ионов фосфора и бора по маске фоторезиста. На финишных операциях формируется алюминиевая металлизация. Схемы пассивируют фосфорно-силикатным стеклом и выполняют контроль функционирования.
2
2
+
11
2
12
2
12
2
12
2
+
11
2
12
2
Наряду с формированием элементов схемы по маршруту изготовления, легирование р-карманов n-капальных транзисторов как наиболее чувствительных к ионизирующему излучению выполняют с использованием двух операций имплантации бором и имплантацией ионами BF. Операции имплантацию бором выполняют через буферный слой двуокиси кремния с толщиной от 20 нм до 30 нм с повышением энергии ионов. Первую имплантацию бором выполняют с энергией ионов в диапазоне от 30 до 40 кэВ и дозой в диапазоне от 6.25⋅10 ион/см до 1⋅10 ион/см, а вторую имплантацию - с энергией в диапазоне от 60 до 80 кэВ и дозой в диапазоне от 4⋅10 ион/см до 5⋅10 ион/см. Имплантацию ионами BF выполняют с минимальной энергией в диапазоне от 30 до 40 кэВ, обеспечивающей легирование канала транзистора, и дозой в диапазоне от 6.25⋅10 ион/см до 2.5⋅10 ион/см.
17
-3
Последующий отжиг радиационных дефектов выполняют при температурах от 850°С до 900°С для исключения диффузии алюминия в пленку кремния из подложки. Дозы легирования выбраны так, чтобы после термической активации получить равномерное распределение примеси с концентрацией в диапазоне 1…3⋅10 см в истоковом р-n переходе. При этих условиях для активных структур схемы ОЗУ наблюдается минимальный коэффициент усиления паразитного биполярного транзистора при импульсном ионизирующем излучении.
Конструктивно-технологические методы повышения радиационной стойкости элементов микросхем статических ОЗУ подтверждались результатами моделирования радиационных эффектов в транзисторах и испытаниями тестовых структур и микросхем на импульсную и дозовую стойкость. С использованием компьютерной программы для расчета транспорта электронов в МОП КНС транзисторах в двумерном квазигидродинамическом приближении с учетом моделей радиационных эффектов, рассмотрены процессы протекания тока в транзисторах до, и после гамма облучения. Расчеты выполнены с использованием модели n-канальной транзисторной структуры, как наиболее чувствительной к воздействию гамма облучения спектра деления со средней энергией квантов ~1МэВ. В модели учитывались характеристики границ раздела кремний-сапфир и подзатворнрй границы кремний-двуокись кремния. Основными уравнениями, определяющими транспорт носителей заряда, являлись уравнения Пуассона, непрерывности, баланса энергии и импульса носителей заряда и выражения для плотности тока и потока энергии электронов. Настройку модели выполняли на основе сопоставления результатов расчета с экспериментальными вольт - амперными характеристиками транзисторов путем варьирования профилей легирования и подвижности электронов, а также концентрации акцепторов в р-кармане.
17
-3
+
2
Высокие уровни мощности дозы ионизирующего излучения обусловливают формирование паразитных биполярных транзисторов в МОП КНС структурах. При расчете распределения электронов в МОП транзисторах моделируется образование паразитного биполярного транзистора, даже с учетом малого времени жизни неосновных носителей заряда, характерном для гетероэпитаксиальных слоев кремния. Снижение коэффициента усиления паразитного биполярного транзистора в МОП структурах возможно при концентрации акцепторов в р-n переходе ~1…3⋅10 см с близким к равномерному распределением примеси. Легирование р-кармана с использованием двух операций имплантации бором и имплантации ионами BF является в этом случае оптимальным.
2
2
2
2
2
2
+
+
+
+
+
Имплантация ионами BF выполняется с целью легирования акцепторами каналов транзисторов для стабилизации пороговых напряжений и для насыщения границы раздела кремний-двуокись кремния фтором, что обусловливает снижение величины заряда поверхностных состояний. Ионы BF как более тяжелые в сравнении с ионами бора имеют меньший проецированный пробег и соответственно дисперсию пробега в кремнии и двуокиси кремния. Только малая доля ионизированных молекул BF может диссоциировать в процессе имплантации. Следовательно, на глубину больше проецированного пробега ионов BF, внедряется лишь небольшая часть атомов бора и фтора. Это обусловливает получение стабильной концентрации примеси в каналах транзисторов. Так как буферный слой двуокиси кремния удаляется после имплантации, и затворы транзисторов формируют в отдельном технологическом блоке, подзатворный диэлектрик свободен от радиационных дефектов. Коэффициент сегрегации для бора меньше единицы, следовательно, поверхность кремния при окислении должна обедняться примесью. Так как бор находится в связанном состоянии с фтором, процессы диффузии и сегрегации примесей при высокотемпературных обработках замедляются, При насыщении границы раздела Si с SiO фтором, происходит замена слабых связей кремния с кислородом и водородом на более сильную связь с фтором. Разрыв напряженных связей дает возможность снизить концентрацию поверхностных состояний и получить границу раздела с более стабильными характеристиками. Имплантация ионов BF в область канала обусловливает получение стабильных вольтамперных характеристик транзисторов при ионизирующем облучении.
16
-3
17
-3
17
-3
17
-
Расчеты транспорта электронов с учетом радиационных эффектов показали образование вблизи границы раздела кремний- сапфир проводящего канала. Концентрация неподвижных положительно заряженных поверхностных состояний на границе раздела при этом достигала значений 3⋅10см в пересчете на объемную концентрацию. Был выполнен расчет зависимости тока стока от концентрации акцепторов в р-кармане транзисторов. В сапфир при этом вводился рассчитанный заряд поверхностных состояний, распределенный равномерно по границе раздела и неравномерно, пропорционально напряженности электрического поля. На фиг. 1 представлена зависимость величины прироста тока стока транзисторов, после гамма облучения, (состояние «закрыто») от концентрации примеси в р-кармане с равномерным и неравномерным распределением встроенного заряда. Как видно из графиков, величины токов с увеличением концентрации примеси в р-кармане снижаются и при концентрациях ~3⋅10 см имеют минимальные значения для обеих зависимостей (1) и (2). Начиная с уровня легирования ~3⋅10 см, дальнейшее увеличение концентрации слабо сказывается на радиационной чувствительности тока стока. Учитывая данные расчетов, выбирались оптимальные для дозовой стойкости энергии и дозы имплантации. По результатам моделирования профилей легирования определялась максимальная энергия ионов бора при имплантации в область р-кармана транзисторов. Проецированный пробег ионов бора не превышал толщину гетероэпитаксиальных пленок кремния. При этом сохранялась совершенной структура сапфира без увеличения концентрации поверхностных состояний и нейтральных ловушек на «нижней» границе раздела активной области кремния и диэлектрической подложки. Дозы легирования выбирали из условия получения концентрации акцепторов на границе раздела на уровне 1…3⋅10 см3 после термической активации примеси.
+
+
Оценка уровней стойкости тестовых структур с применением лазерных и рентгеновских имитаторов позволила подтвердить правильность конструктивно- технологических решений изготовления элементов схемы. Исследования ионизационных эффектов, выполненные на рентгеновских имитаторах, показали, что стойкость микросхем повышается при имплантации нижних обкладок конденсаторов в ячейках памяти акцепторами. Конденсаторы с обкладками р типа проводимости проявляли более низкую чувствительность к большим дозам облучения в сравнении с конденсаторами с обкладками n типа проводимости. Верхние обкладки конденсаторов выполнялись с использованием пленок легированного поликремния.
13
2
Импульсные токи потребления микросхем зависели от величины дозы легирования слабо легированных областей истоков-стоков транзисторов. При дозах легирования выше 3.75⋅10 ион/см импульсные токи потребления снижались. На фиг. 2 показана зависимость амплитуды импульсного тока потребления двух модификаций инверторов, с различными режимами формирования слабо легированных областей истоков-стоков (LDD структур) транзисторов от температуры окружающей среды. Образец (1) легирован с более высокой концентрацией примеси в области LDD в отличие от образца (2). Ход кривых показывает, что от величины дозы имплантации LDD структур транзисторов зависит стойкость инверторов к импульсному ионизирующему излучению.
Испытания параметров микросхем при воздействии ионизирующего излучения проводили как на лазерных и рентгеновских имитационных комплексах, так и на моделирующих установках. Максимальный достигнутый при испытаниях на лазерных комплексах уровень эквивалентной мощности дозы соответствовал требованиям к бортовой аппаратуре. При этом катастрофических отказов и тиристорного эффекта не наблюдалось. Сохранность информации определялась выходным напряжением высокого логического уровня (4В при напряжении питания 4.5В). Максимальное значение временной потери работоспособности не превышало 100нс. Максимальный уровень сбоеустойчивости наблюдался в режиме хранения/блокировки. Его снижение отмечено в режиме записи/считывания, однако достигнутый уровень соответствовал требованиям к элементной базе приборов.
При испытаниях на деловую стойкость установлено, что выходные логические уровни, время выборки и токи потребления в процессе воздействия изменяются незначительно. Значения параметров не выходили за границы установленных норм при нормальной и повышенной (85°С) температуре окружающей среды.
Испытания микросхем на моделирующих установках показали сопоставимый уровень радиационной стойкости, соответствующий требованиям к устройствам систем управления бортовой аппаратуры.
Таким образом, в способе технический результат повышения радиационной стойкости микросхем достигается за счет снижения коэффициента усиления паразитных биполярных транзисторов, возникающих в структуре n-канальных МОП транзисторов при импульсном ионизирующем излучении. Дозовая стойкость возрастает за счет снижения утечек по паразитным каналам в структурах транзисторов и обусловлена уменьшением концентрации поверхностных состояний и нейтральных ловушек в подзатворном окисле и в граничащем с кремнием слое сапфира.