МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2014, том 43, № 2, с. 156-158
== МОДЕЛИРОВАНИЕ РАДИАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ
В ИЗДЕЛИЯХ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
УДК 621.382+ 621.396.6
ВОДОРОДНО-ЭЛЕКТРОННАЯ МОДЕЛЬ НАКОПЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ СОСТОЯНИЙ НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ОКИСЕЛ-ПОЛУПРОВОДНИК ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ
© 2014 г. А. В. Согоян, С. В. Черепко, В. С. Першенков
Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" E-mail: avsog@spels.ru Поступила в редакцию 22.05.2013 г.
Представлены результаты экспериментального исследования кинетики послерадиационного образования поверхностных состояний в МОП-структуре в среде молекулярного водорода в различных полевых режимах. Установлено, что важным элементом процесса накопления радиационно-индуциро-ванных поверхностных состояний является взаимодействие водородосодержащих комплексов с электронами подложки. Полученные данные позволяют рассматривать "водородную" и конверсионную концепции с позиции единой водородно-электронной модели встраивания поверхностных состояний. В рамках предлагаемого подхода для образования поверхностных состояний необходимо как наличие у границы оксид—кремний положительно заряженных водородосодержащих комплексов, так и взаимодействие этих комплексов с электронами из подложки. Оба компонента могут являться фактором, ограничивающим скорость образования поверхностных состояний в конкретных условиях.
DOI: 10.7868/S0544126914020100
1. ВВЕДЕНИЕ
При воздействии ионизирующего излучения в окисле МОП (металл—окисел—полупроводник) транзисторов генерируются электронно-дырочные пары. После частичной рекомбинации электроны покидают окисел, а дырки могут захватываться на глубокие ловушки, в результате чего в окисле накапливается объемный положительный заряд Кроме того, в результате воздействия ионизирующего излучения на границе раздела окисел-полупроводник образуются радиационно-индуцированные поверхностные состояния Ыи.
Если механизм встраивания объемного положительного заряда считается установленным [1], то физика образования поверхностных состояний до сих пор остается до конца не выясненной. Существуют три наиболее распространенные модели накопления радиационно-индуцированных поверхностных состояний: водородная, конверсионная и связанная с разрывом напряженных связей.
Возможность разрыва напряженных связей у поверхности полупроводника исторически была одной из первых гипотез образования поверхностных состояний [1]. Действительно, за счет разности в коэффициентах линейного расширения кремния и окисла на поверхности кремния всегда присутствуют напряженные связи, которые в первую очередь разрываются при воздействии квантов ионизирующего излучения. Однако эксперимент с облучением окисла толщиной 100 нм гамма квантами (1.2 МэВ) и ультрафиоле-
товым излучением с энергией 10.2 эВ показал, что гипотеза о разрыве напряженных связей вряд ли правомерна [2]. В эксперименте [2] доза гамма и ультрафиолетового излучения подбиралась так, чтобы число электронно-дырочных пар, генерируемых в объеме окисла, было одинаковым. Отличие состояло в том, что гамма излучение вызывало однородную ионизацию окисла, а ультрафиолетовое излучение поглощалось в слое толщиной порядка 10 нм. Тем самым поверхность раздела окисел—полупроводник подвергалась воздействию квантов только при воздействии гамма излучения. Однако оказалось, что в обоих случаях накапливалось одинаковое количество радиационно-инду-цированных поверхностных состояний. Данный результат показывает, что для образования поверхностных состояний важно общее количество электронно-дырочных пар, образующихся в окисле при воздействии излучения [1].
Водородная модель основывается на предположении, что в результате радиолиза водородосо-держащих соединений (например, ОН-групп), либо за счет энергии, выделяемой при актах рекомбинации электрон-дырка, в окисле высвобождаются ионы водорода, которые мигрируя к границе раздела 81/8Ю2 депассивируют поверхностные связи, что приводит к встраиванию поверхностных состояний [1, 3] (процесс пассивации поверхности, широко используемый в технологии микроэлектроники, заключается в отжиге пластин в водородной среде, в результате чего снижается концентрация поверхностных состоя-
ВОДОРОДНО-ЭЛЕКТРОННАЯ МОДЕЛЬ НАКОПЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ СОСТОЯНИЙ 157
Режимы экспериментальных исследований
Тест 1 2 3 4
Поле в окисле + + — —
Электроны в подложке + - + -
Отношение ЬЫШп„/ЫШгг (%) 46 13 11 <5
ний). Экспериментальные исследования показывают, что искусственное [4] либо технологически обусловленное [5] введение водорода в МОП-структуру приводит к значительному увеличению темпов образования поверхностных состояний в процессе облучения и после его окончания. Данное обстоятельство традиционно (например, [4]) рассматривается как свидетельство исключительной роли водорода в образовании поверхностных состояний.
Конверсионная модель основывается на результатах ранних экспериментов начала 80-х годов, когда было замечено, что нейтрализация положительного заряда приводит к возрастанию плотности поверхностных состояний [6]. Во время облучения наблюдалось небольшое увеличение плотности поверхностных состояний ЛМи и заметный рост объемного заряда в окисле А0О(. Но на этапе отжига объемный заряд в окисле почти полностью отжигался, а плотность поверхностных состояний сильно увеличивалась. Эти данные позволили говорить о конверсионной модели встраивания радиационно-индуцированных поверхностных состояний. Действительно, при захвате электрона конфигурация положительно заряженного центра может конвертироваться в нейтральное состояние, эквивалентное поверхностной ловушке. Конверсионная модель не получила столь же детального обоснования, как водородная, однако многочисленные экспериментальные данные [1, 6, 7], играющие принципиальную роль в радиационной физике микроэлектронных структур, говорят в пользу этой концепции.
Цель данной работы — описание экспериментальных данных, свидетельствующих о том, что образование поверхностных состояний связано не только с наличием водородосодержащих комплексов, но и инжекцией электронов из подложки.
2. ЭКСПЕРИМЕНТ
В эксперименте использовались п-канальные МОП-транзисторы с толщиной окисла 30 нм. Приборы облучались рентгеновским излучением с энергией 8 кэВ с интенсивностью 1 крад(8Ю2)/с до полной дозы 3 Мрад(8Ю2). Во время облучения напряжение на затворе транзисторов составляло +5 В.
Через 1 ч после прекращения облучения приборы на 24 часа помещались в среду молекулярного водорода (отжиг). Накопление поверхностных состояний регистрировалось именно на этапе отжига с использованием методики измерения
подпороговых вольт-амперных характеристик. Исследовались 4 разных теста (таблица).
Электрические режимы в процессе отжига выбирались так, чтобы поле в окисле способствовало движению ионизированных водородных комплексов к границе раздела (положительное направление) или от границы раздела (отрицательное направление). Концентрация электронов в подложке на границе с окислом задавалась напряжением на затворе, смещением подложки или прямым смещением переходов исток—подложка и сток—подложка. Знак "+" в строке "электроны в подложке" таблицы соответствует обогащению приповерхностной области электронами, знак "—" — обеднению поверхности электронами.
Таким образом, в тестах 1—4 комбинировались различные сочетания присутствия водородных комплексов около границы 81/8Ю2 и наличия электронов в подложке.
Тест 1 соответствовал режиму инверсии МОП-транзистора: напряжение на затворе из составляло +2 В (что соответствовало напряженности поля в окисле около +0.5 МВ/см). При этом в подза-творной области кремния формировался канал с высокой концентрацией электронов, т.е. в тесте 1 создавались условия для присутствия у границы раздела как положительно заряженных водородных комплексов, так и свободных электронов. В тесте 2 в окисле поддерживалось положительное поле (+0.5 МВ/см), но поверхность кремний-оксид была обеднена электронами. Последнее достигалось подачей на подложку большого отрицательного смещения (ип = —10 В). В этом случае у границы раздела присутствуют только водоро-досодержащие комплексы. В тесте 3 поле в окисле имело отрицательное значение, т.е. граница раздела была обеднена водородосодержащими комплексами (напряжение на затворе —1.6 В, поле в окисле —0.5 МВ/см). При этом подзатворная область кремния обогащалась электронами за счет инжекции из истока и стока (переходы исток-подложка и сток-подложка имели прямое смещение за счет подачи на подложку напряжения +0.8 В). Тест 4 соответствовал случаю обеднения приповерхностной области как ионами, так и электронами: поле в окисле отрицательно (напряжение на затворе -2.0 В, поле в окисле -0.5 МВ/см), а поверхность подложки обогащена дырками (режим аккумуляции).
На рисунке представлена полученная экспериментальная зависимость приращения составляющей порогового напряжения АКИ, обуслов-
МИКРОЭЛЕКТРОНИКА том 43 № 2 2014
158
СОГОЯН и др.
Щ, в 0.10
0.08
0.06
0.04
0.02
0
_-_тест 1 (U3 > 0, Un = 0) :Г
_с_ тест 2 (U3 > 0, Un < 0) I Г 1 "
тест 3 (U3 < 0, Un > 0) l -
_v_ тест 4 (U3 < 0, Un = 0) ^
Л-U
eS2S2222
—I-1-1-1-1-1—l—l-1-1-1-1-1-1-1—I—
103 104 105
Время, с
Изменение составляющей AVit на этапе отжига.
ленная накоплением поверхностных состояний, от времени отжига МОП-транзисторов в водородной среде для четырех указанных тестов. В последней строке таблицы приведено отношение приращения плотности поверхностных состояний на этапе отжига АМЫапп к приращению плотности поверхностных состояний сразу после облучения АМШгг. Наибольшее приращение АМШапп наблюдается в тесте 1 (46%), когда у границы раздела присутствует и водородосодержащие комплексы и электроны. В тесте 2, когда у границы присутствуют водородные комплексы, но поверхность кремния обеднена электронами, приращение плотности поверхностных состояний уменьшается более, чем в три раза (до 13%). Аналогично, когда поверхность обогащена электронами, но водородные комплексы отрицательным полем удаляются от поверхности (тест 3), приращение АМШапп также уменьшается до 11%. Наименьшее приращение (менее 5%) наблюдает
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.