-2-
СОДЕРЖАНИЕ
Введение...............................................................5
Глава 1. Основные представления о радиационных процессах в структурах 81-8Ю2............................................................11
1.1. Накопление объемного заряда в диоксиде кремния и генерация поверхностных состояний на границе кремний - диоксид кремния 11
1.1.1. Генерация и рекомбинация...................................12
1.1.2. Перенос дырок в диоксиде кремния...........................15
1.1.3. Захват дырок в 8Ю2.........................................16
1.1.4. Образование ловушек на границе раздела 81/810:.............21
1 2. Отжиг объемного и поверхностных зарядов в 8Ю2 после облучения....25
1.3. Заключение и постановка задачи:................................31
Глава 2. Экспериментальное исследование процессов в М011-структурах, инициированных воздействием а- и (3-облучения........32
2.1. Аппаратура и методы исследования радиационно-индуцированных процессов в МОП-структурах.....................................32
2.1.1. Измерение парамегров МДП-структур высокочастотным вольт-фарадным методом.........................................32
2.1.2. Установка для облучения а-частицами и расчет поглощенной дозы а-излучения...............................................38
2.1.3. Установка для облучения [3-частицами и расчет поглощенной дозы [3-излучения..............................................42
2.2. Изменение электрофизических параметров МОП-структур под действием а-облучения..........................................46
2.2.1. Генерация положительного фиксированного заряда в 8Ю2 под действием а-облучения..........................................46
2.2.2. Генерация поверхностных состояний на границе 81/8Ю2 под действием а-облучения..........................................49
-3-
2.3. Сравнительная оценка эффективности дефектообразования в структурах А1-8Ю2-81 под действием а- и [3-облучсния............52
2.4. Влияние облучения а- и [3-частицами на механические напряжения в структурах 81-8Ю2.........................................57
2.5. Сравнительный анализ деградации параметров МОП-структур под действием облучения и стрессовых электрических воздействий 60
2.5.1. Устройство стрессовых электрических воздействий...............60
2.5.2. Результаты экспериментальных исследований деградации
МОП-счруктур в электрических ПОЛЯХ...................................63
2.6. Технологические аспекты стабильности МДП-структур к действию облучения.......................................................67
2.6.1. Влияние предварительной обработки а-частицами на радиационную стойкость МОП-структур.....................................68
2.6.2. Влияние постметаллизационного отжига на чувствительность
МОП-структур к действию а-облучения..................................71
Глава 3. Исследование отжига радиационных нарушений в МОП-струк-турах после а- и [3-облучения...........................................75
3.1. Общие закономерности поведения фиксированного заряда и плотности поверхностных состояний после облучения а- и (3-частицами....................................................................75
3.2. Природа центров захвата электронов в 8Ю2..........................80
3.2.1. Влияние материала затворного электрода на процесс электронного захвата в 8Ю2............................................. 82
3.2.2. Влияние технологии получения оксида...........................85
3.2.3. Качественная модель электронного захвата в 8Ю2................87
3.3. Влияние электрического поля на процессы релаксации фиксированного заряда в 8Ю2............................................89
3.4. Свойства поверхностных состояний на границе раздела 98
- 4-
3.4.1. Трансформация спектра поверхностных состояний на границе Б1/8Ю2 в результате облучения и изохронного отжига..............98
3.4.2. Кинетика изменения плотности поверхностных состояний на границе 8Г8Ю2 после облучения..................................101
Глава 4. Моделирование радиационных процессов в МДП-структурах 106
4.1. Моделирование процесса накопления фиксированного заряда в
Б Юг под действием облучения....................................106
4.1.1. Математическая модель.......................................107
4.1.2. Аналитические выражения для выхода свободных носителей 109
4.1.3. Метод расчета...............................................110
4.1.4. Результаты численного моделирования.........................111
4.1.5. Расчет экспериментальных зависимостей.......................116
4.1.6. Роль водорода в процессе генерации положительного заряда в ЗЮ2 под действием облучения....................................120
4.2. Моделирование процессов отжига фиксированного заряда в 8Ю2 после облучения .........................................,...126
4.2.1. Определение энергетических параметров ловушек электронов и дырок в 8Ю2....................................................126
4.2.2. Кинетика релаксации положительного фиксированного заряда
в 8Ю2 после облучения..............................................132
4.2.3. Туннельный механизм релаксации положительного заряда в 8Ю2 после облучения............................................135
Заключение и основные выводы..........................................140
Список литературы................................................... 143
Введение
Актуальное гь темы. Структуры БьЭЮг и создаваемые на их основе структуры металл-оксид-полупроводник (МОП) являются основой элементной базы современной микроэлектроники и электроники твердого тела. Это обусловлено прежде всего высоким совершенством границы раздела 81-810:, получаемой термическим окислением кремния, что позволяет создавать структуры с минимальной плотностью локализованных на этой границе электронных состояний. На основе МОП-структур создаются молевые транзисторы с изолированным затвором, нелинейные конденсаторы (варикапы и фотоварикапы), приборы с зарядовой связью, элементы постоянной репро-граммируемой памяти, логические устройства, электрические и тепловые переключатели и т.д. Кроме того, эти структуры служат базой для изучения фундаментальных характеристик полупроводников и диэлектриков, позволяют' исследовать и анализировать процессы, происходящие в них на атомарном уровне.
Одним из факторов, сдерживающих применение приборов на основе МОП-структур, является их повышенная чувствительность к действию ионизирующих излучений (ИИ), обусловленная главным образом процессами в пленке БЮ: и на границе раздела ЗьБЮ:- Развитие исследований в указанной области определяют перспективы использования в производстве СБИС технологий электронной и рентгеновской литографии, электронно-лучевого испарения металлов, плазмохимического осаждения диэлектриков. В этом случае радиационно-индуцированные нарушения происходят непосредственно в процессе изготовления СБИС. Другой аспект проблемы заключается в использовании интегральных схем и других микроэлектронных устройств при повышенном уровне радиационных воздействий в условиях космического базирования этих элементов или при наземном базировании вблизи источников радиации. В этом случае воздействие различных видов ИИ может приводить как к обратимым, так и необратимым изменениям электрических
-6-
свойств твердотельных приборов и интегральных схем на основе МОП-структур. Поскольку такие изменения могут приводить к отказам электронных подсистем, работающих в условиях повышенных уровней радиации, значительные усилия в последнее время направляются на разработку методов, позволяющих избежать ухудшения параметров микроэлектронных устройств при облучении.
В свою очередь необходимой предпосылкой для этого является понимание физических эффектов, происходящих в структурах и создавае-
мых на их основе приборах и схемах под влиянием ИИ. По-прежнему главными задачами в этой области является выявление механизмов доминирующих физических процессов, протекающих на поверхности и в области пространственного заряда (ОПЗ) полупроводника, а также в объеме диэлектрической пленки под действием облущения, установление природы и свойств поверхностных электронных состояний на границе раздела 81/8Юг и центров захвата носителей заряда в БЮг.
Особенностью настоящей работы, включающей в себя экспериментальные исследования радиационно-индуцированных процессов в МОП-структурах, является то, что она выполнена с привлечением радионуклидных источников как тяжелых (а-частицы), так и легких ((3-частицы) заряженных частиц, что позволяет более корректно моделировать реально существующую радиационную обстановку и в то же время выяснить особенности и механизмы дефектообразования в структурах связанные с конкретным
видом радиационных воздействий.
Цель работы. Цель данной работы заключалась в установлении механизмов генерации электрически активных дефектов в МОП-структурах в результате воздействия различных видов жесткого облучения, а также выявление природы и свойств указанных дефектов. Достижение данной цели предполагало решение следующих задач:
-7-
1. Изучение процессов генерации электрически активных дефектов в МОП-структурах под действием потоков а- и [3-частиц радиоизотопных источников излучений, выявление вклада различных механизмов дефектообра-зования (ионизация, прямое смещение атомов, подпороговые механизмы и т.д.) в указанные процессы дефектообразования.
2. Изучение процессов отжига радиационных нарушений в МОП-структурах с целью выявления свойств и природы образующихся в результате радиационных воздействий дефектов.
3. Разработка физических моделей дефектообразования в МОП-структурах в результате воздействия ИИ различных видов, позволяющих адекватно моделировать и предсказывать поведение указанных структур в условиях воздействия ИИ различных видов.
Научная новизна работы.
1. Впервые проведено исследование процессов генерации дефектов в МДП-структурах под действием мощных потоков а-частиц радионуклидных источников. Обнаружена значительная зависимость эффективности генерации положительного заряда в пленках 8Ю2 и межфазных состояний на границе от энергии падающей а-частицы.
2. Проведен сравнительный анализ процессов дефектообразования в МДП-структурах под действием а- и (3-облучения. Показано, что влияние механизмов прямого смещения атомов в 8Ю2 в случае а-облучения не дает существенного вклада в процессы генерации заряда в БЮ2 и на границе 81/8Ю2. Исследования процесса релаксации механических напряжений в структурах 51-5Ю2 под действием а- и [3-частиц также свидетельствуют о доминирующем вкладе ионизационных механизмов дефектообразования в МДП-структурах.
3. Термический отжиг облученных структур показал наличие двух типов электрически активных дефектов в пленке 8Ю2: центры захвата дырок, образующиеся в результате воздействия облучения и ответственные за об-
-8-
щий положительный заряд в БЮг, а также кулоновские притягивающие центры захвата электронов, образующиеся на стадии изготовления МДП-струк-тур и изменяющие зарядовое состояние облученных структур.
4. Обнаружена структурная перестройка дефектов на границе раздела 81/8Ю2 в результате отжига облученных МДП-структур, не вписывающаяся в существующие в настоящее время представления о природе и свойствах дефектов указанной границы раздела.
5. Проведено сравнение численных расчетов и экспериментальных данных. Показана неприменимость традиционно используемого диффузионно-дрейфового приближения с учетом только электронов и дырок при моделировании процесса генерации положительного заряда в 8102- Предложена модель, учитывающая участие водорода в процессах пассивации и генерации дефектов под действием облучения, позволяющая описать процесс генерации заряда в 8Ю2, оставаясь при этом в рамках экспериментально определенных параметров для сечений захвата, коэффициентов диффузии и т.д.
Практическая ценность работы.
1. Показана возможность использования радиоизотопных источников а- и (3-излучения для исследования радиационно-стимулируемых процессов в МОП-структурах.
2. Полученные экспериментальные данные о радиационно-стимулированных процессах в МД1 [-структурах, облученных а- и (3-частицами, свидетельствуют о незначительности вклада механизмов дефектообразования, связанных с прямым смещением атомов в 8Ю2, что позволяет в дальнейшем использовать для радиационных испытаний более удобные источники ИИ (рентген, В УФ и т.д).
3. Разработанная теоретическая модель генерации положительного заряда в 8Ю2, учитывающая влияние водорода на процессы генерации и пассивации дефектов, позволяет прогнозировать радиационные изменения в МДП-структурах и приборах на их основе.
-9-
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Результаты экспериментального исследования процессов генерации положительного фиксированного заряда в пленке БЮ2 и поверхностных состояний на границе а также релаксации механических напряжений в
структурах под действием а- и р-излучений, свидетельствующие о
доминирующей роли ионизационных механизмов в процессах дефектообра-зования в МОП -структурах.
2. Особенности поведения облученных МО П-структур в результате термических отжигов в температурном интервале 20-450°С, свидетельствующие о наличии в пленках БЮ2 двух типов электрически активных дефектов: дырочных ловушек, сохраняющих заряд до температур порядка 80°С, а также центров захвата электронов, стабильных вплоть до 250°С. Экспериментальные исследования свойств и природы указанных центров захвата.
3. Закономерности трансформации спектра поверхностных состояний на межфазной границе облученных МОП-структур в ходе термиче-
ских воздействий, свидетельствующие о структурной перестройке дефектов на данной границе раздела.
4. Предложена и разработана теоретическая модель процессов накопления положительного фиксированного заряда в БЮг, учитывающая участие генерируемых облучением протонов в процессах пассивации и генерации дефектов в 8Ю2.
5. Модельные расчеты процессов пострадиационного отжига фиксированного заряда в 8Ю2, позволяющие на основе экспериментальных данных по изохронному и изотермическому отжигу облученных МДГ1- структур получить информацию об энергетическом и пространственном распределении дефектов в 8Ю2.
Апробации работы. Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на III, IV, V и VII научно-практических конференциях молодых ученых Ульяновского государственного университета (Ульяновск, 1994-1996, 1998 г.), XXXII и XXXIII научно-
- 10-
технических конференциях Ульяновского государственного технического университета (Ульяновск, 1998, 1999 г.), Международной конференции "Физические процессы в неупорядоченных полупроводниковых структурах" (Ульяновск, 1999), IX Межнациональном совещании "Радиационная физика твердого тела" (Севастополь, 1999), VI Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники" (Дивноморское, Россия, 1999 г.).
Достоверность результатов. При выполнении экспериментов использовалась серийно выпускаемая измерительная аппаратура, погрешность которой обеспечивала достоверность полученных результатов, некоторые из которых сравнивались с результатами независимых исследований других авторов. Достоверность результатов диссертации основана также на согласовании теоретических расчетов, выполненных на основе предложенных моделей с использованием стандартных пакетов прикладных программ для ЭВМ, с результатами экспериментальных исследований.
Личный вклад автора. В диссертационной работе изложены результаты работ, которые были выполнены автором лично и в соавторстве. В работах, выполненных автором в соавторстве, автор разрабатывал методики исследований, принимал участие в изготовлении измерительных установок и оборудования, проводил теоретические расчеты и эксперименты, осуществлял обработку, анализ и обобщение получаемых результатов
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 19 печатных работ, в том числе 9 статей, 2 доклада и 8 тезисов докладов на научно-технических конференциях и семинарах (список работ прилагается в конце автореферата).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 148 наименований, содержит 1 таблицу и 57 рисунков. Общий объем диссертации составляет 158 страниц машинописного текста.
-11-
Глава 1. Основные представления о радиационных процессах в структурах вь-вЮг
Главными причинами, определяющими специфику радиационных эффектов в системе диэлектрик - полупроводник, являются: наличие механических напряжений в системе до облучения и их трансформация в процессе радиационного воздействия; возможность обмена зарядами между полупроводником и диэлектриком при облучении; способность атомов перемещаться в объеме полупроводника и диэлектрика к границе их раздела, от нее и через нее; присутствие электрических полей в диэлекгрике и их флуктуации вдоль границы раздела; структурные особенности полупроводника и диэлектрика вблизи границы раздела (например, наличие переходного слоя [1]).
Основные изменения в результате радиационной обработки, которые наиболее исследованы, сводятся к накоплению в системе (в объеме диэлектрической пленки или в полупроводниковой подложке вблизи границы раздела) заряда (положительного или отрицательного в зависимости от условий облучения и свойств исходного объекта) и увеличению плотности поверхностных состояний. Это проявляется в сдвиге измеренной на облученной системе высокочастотной С-У характеристики и изменении ее наклона (см., например [2, 3]).
В данной главе анализируются существующие на сегодняшний день представления о процессах в структурах металл-диэлектрик-нолупроводник, инициированных действием различных видов облучения.
1.1. Накопление объемного заряда в диоксиде кремния и г енерация поверхностных состояний на границе кремний - диоксид кремния
Рассмотрим основные физические процессы (генерация, перенос и захват зарядов в диэлектрике, а также возникновение граничных ловушек)
-12-
(рис.1.1), происходящие в МОП-структурах иод действием ионизирующего облучения.
1.1.1. Генерация и рекомбинация
На первом этапе воздействия излучения за счет энергии, поглощенной в диэлектрике, в нем создаются неравновесные электронно-дырочные пары. Предполагается |4], что на начальном этапе этот процесс не зависит от напряженности поля, температуры и т.д., а зависит только от величины поглощенной энергии. По определению |5], поглощенная энергия величиной 1 Гр от одного типа радиационного воздействия эквивалентна поглощенной энергии 1 Гр от любого другого типа радиационного воздействия, причем результатом поглощения энергии 1 Гр является одинаковое количество электронно-дырочных пар в данном диэлектрике. Однако на втором этапе процесса появляется ряд важных зависимостей. Второй этап - это первоначальная рекомбинация в диэлектрике некоторой части электронов и дырок, созданных облучением. Установлено, что этот рекомбинационный процесс зависит от вида излучения, а также внутреннего или внешнего электрического поля [4, 6]. В случае тяжелых заряженных частиц высокой энергии или легких частиц (элекчронов) число уцелевших пар велико и начальная рекомбинация достаточно хорошо описывается формулой Онзагера [3]:
/М)=ехрр^0(1 + /?ОЯ); Ао=~, (1-1)
где г0 - расстояние, на котором оказались термализованный электрон и дырка после завершения размена энергии, г* - кулоновский радиус захвата, определяемый как расстояние, на котором кулоновская энергия взаимодействия электрона и дырки будет равняться тепловой энергии кТ.
2 2
—^-----= кТ или гк=—1 (1.2)
4 7Г££0Гк Атге£0к1
-13-
шры
Рис. 1.1. Схематичное представление основных радиационных эффектов в МОП-
структуре
Рис. 1.2. Измеренное значение относительного выхода дырок в зависимости от напряженности приложенного электрического поля /** в термически выращенных пленках 5Ю2 для разных бомбардирующих частиц с различной энергией [6]
- Київ+380960830922