научная статья по теме КОНВЕРСИОННАЯ МОДЕЛЬ ЭФФЕКТА НИЗКОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ В БИПОЛЯРНЫХ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ СТРУКТУРАХ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «КОНВЕРСИОННАЯ МОДЕЛЬ ЭФФЕКТА НИЗКОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ В БИПОЛЯРНЫХ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ СТРУКТУРАХ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ»

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2010, том 39, № 2, с. 102-112

_ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАДИАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ_

В МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ ИЗДЕЛИЯХ НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ

УДК 621.382

КОНВЕРСИОННАЯ МОДЕЛЬ ЭФФЕКТА НИЗКОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ В БИПОЛЯРНЫХ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ СТРУКТУРАХ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ © 2010 г. В. С. Першенков, Д. В. Савченков, А. С. Бакеренков, В. Н. Улимов

Московский Инженерно-физический Институт (Государственный Университет)

E-mail: vspershenkov@mephi.ru Поступила в редакцию 14.08.2009 г.

Предложена физическая модель эффекта низкой интенсивности в биполярных транзисторах. Основу модели составляет предположение о накоплении в окисле мелких и глубоких радиационно-индуциро-ванных ловушек, которые во время облучения конвертируются в поверхностные состояния с постоянными времени, характеризующие встраивание поверхностных состояний при высоких и низких интенсив-ностях. Проведен расчет приращения тока базы с использованием интеграла свертки для экспоненциальной и степенной функции отклика. Определены подстроечные параметры модели, при которых результаты расчета хорошо согласуются с опубликованными экспериментальными результатами.

1. ВВЕДЕНИЕ

При воздействии низкоинтенсивного ионизирующего излучения происходит аномальное уменьшение (до порядка и выше) коэффициента усиления биполярных транзисторов, как МРМ так и РМР типа, по сравнению с облучением высокой интенсивностью при одинаковой накопленной дозе. Этот эффект носит название эффекта низкой интенсивности в биполярных приборах [1]. В результате аппаратура на борту спутников, содержащая биполярные микросхемы или изготовленные по БиКМОП технологии, может выйти из строя ранее запланированного времени функционирования [2]. Для прогнозирования десятилетнего пребывания микросхем на орбите необходимо использование источника излучения на 3—4 порядка большей интенсивности, чем интенсивность излучения в космосе, чтобы продолжительность лабораторного эксперимента составляла несколько часов. Создание эффективных методик прогнозирования требует разработки физической модели эффекта. Проблема касается не только биполярных микросхем. Радиационные эффекты в толстых окислах мощных ММ08 транзисторах и толстых изолирующих окислах современных СБИС (эффекты появления утечки), имеют ту же природу, что и в пассивирующих окислах биполярных структур.

Существует несколько физических моделей эффекта низкой интенсивности. В работе [3] уменьшение деградации при высоких мощностях дозы связывается с влиянием пространственного заряда в объеме пассивирующего окисла, препятствующего при высокой интенсивности накоплению объемного заряда на границе раздела окисел-полупроводник. В работах [4, 5] эффект объясняется захва-

том генерируемых излучением свободных носителей на мелкие ловушки в окисле. При высокой интенсивности (короткое время облучения) мелкие ловушки заполнены, и за счет рекомбинации уменьшается выход положительного заряда. При низкой интенсивности (большие промежутки времени) носители успевают покинуть ловушки и большую часть времени остаются свободными, не влияя на величину накопленного положительного заряда. В работе [6] модель пространственного заряда [3] распространена на механизм накопления поверхностных состояний, основываясь на существенной разнице подвижностей ионов водорода и дырок. Бимолекулярный механизм накопления поверхностных состояний при малых интенсивно-стях рассмотрен в [7, 8].

Основным недостатком указанных физических моделей состоит в том, что многочисленные под-строечные (подгоночные) параметры, характеризующие кинетику процессов (сечения и темп захвата носителей, концентрация рекомбинационных центров и т.п.), задаются произвольно и не могут быть экстрагированы непосредственно из эксперимента. Поэтому модели могут дать лишь качественную характеристику процесса накопления поверхностных состояний при больших и малых интенсивностях. Это затрудняет практическое использование моделей в целях прогнозирования.

Цель данной работы состоит в построении математической модели эффекта низкой интенсивности на основе конверсионной модели накопления поверхностных состояний.

2. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ОСНОВНЫЕ ДОПУЩЕНИЯ

2.1. Деградация коэффициента усиления биполярных транзисторов происходит за счет увеличения периферийной поверхностной составляющей тока рекомбинации базы. Ток поверхностной рекомбинации определяется плотностью поверхностных состояний и поверхностным потенциалом на границе раздела окисел—полупроводник [9].

Увеличение рекомбинационных потерь связано с накоплением положительного заряда в объеме толстого пассивирующего окисла и встраиванием поверхностных состояний на границе раздела окисел-полупроводник. В данной модели предполагается, что аномальная деградация коэффициента усиления при малых интенсивностях определяется зависимостью темпа накопления поверхностных состояний от мощности дозы ионизирующего излучения. Считается, что объемный заряд в окисле опосредованно влияет на процесс накопления поверхностных состояний. Основой для данного предположения является тот факт, что в толстом окисле при слабом электрическом поле объемный заряд распределен по всему пространству пассивирующего окисла, и его центроид может быть локализован далеко от границы раздела окисел-полупроводник, слабо влияя на поверхностный потенциал. Данное предположение означает, что эффект низкой интенсивности связан лишь с особенностями накопления радиаци-онно-индуцированных поверхностных состояний, т.е. приращение тока базы пропорционально приращению плотности поверхностных состояний.

2.2. Существует несколько моделей накопления радиационно-индуцированных поверхностных состояний [10]. Наиболее разработанной является так называемая "водородная" модель. Согласно этой модели в окисле под действием ионизирующего излучения образуются ионы водорода, которые достигая границы окисел-полупроводник депассивируют поверхность, образуя поверхностные состояния [11]. Большинство последних моделей эффекта низкой интенсивности [6—8] основываются именно на "водородной" концепции. Другой моделью является, так называемая "конверсионная" модель [12]. Смысл этой модели состоит в том, что генерация поверхностных состояний происходит при нейтрализации положительного заряда электронами из полупроводника, т.е. за счет конверсии отжигаемого положительного заряда в поверхностные состояния. Понятие "отжиг" в данном случае имеет более широкий смысл, чем просто термический отжиг. Нейтрализация положительного заряда может происходить за счет туннелирования электронов, полевого или термополевого эффекта. Водород в данном случае играет роль катализатора. В данной работе полагается, что накопление поверхностных состояний происходит по конверсионной модели.

2.3. Теория отжига радиационно-индуцирован-ного положительного заряда подробно рассмотрена в работе [13], согласно которой энергетический уровень положительно заряженных ловушек располагается в нижней половине запрещенной зоны окисла. Для устранения противоречий, возникающих при рассмотрении так называемого обратимого отжига [14], в работе [15] предложена термотуннельная модель, согласно которой уровень ловушек, захватывающих положительный заряд, лежит на уровне запрещенной зоны кремния. Термическая вибрация решетки приводит к спонтанному изменению энергии ловушек. При этом появляется возможность взаимодействия положительного заряда на ловушках с электронами, туннелирующими из кремниевой подложки. В результате этого процесса происходит нейтрализация ("отжиг") положительного заряда и, согласно конверсионной модели, образование поверхностной ловушки в запрещенной зоне кремния. В данной работе полагается, что отжиг накопленного положительного заряда происходит по механизму "термического возбужде-ния—туннелирования".

3. КОНВЕРСИОННАЯ МОДЕЛЬ ОБРАЗОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ СОСТОЯНИЙ

При воздействии ионизирующего излучения в окисле генерируются свободные электроны и дырки. Электроны, вследствие гораздо большей подвижности по сравнению с дырками, покидают окисел, а часть дырок захватываются на глубокие ловушки, образуя в окисле положительный заряд 0о1. На рис. 1 показан заряд 0>о(, захваченный на ловушку, энергетический уровень которой лежит напротив запрещенной зоны кремния. Пространственно положительный заряд располагается в окисле непосредственно на границе раздела окисел-полупроводник. Из-за тепловых колебаний решетки, приводящих к изменению расстояния между атомами, энергия ловушки может изменяться. На рис. 1а показан случай увеличения энергии ловушки до величины, превышающей уровень зоны проводимости в кремнии Е. При этом появляется вероятность туннельного перехода электрона из кремния на этот возбужденный уровень. В результате захвата электрона ловушка конвертируется в поверхностное состояние, энергетический уровень которого лежит в запрещенной зоне кремния, по схеме:

+ е-

(1)

где Qot — плотность положительного заряда в окисле; е — электрон; N1, — плотность поверхностных состояний в кремнии; Кы — коэффициент конверсии. Возможный вариант нейтрализации заряда путем эмиссии дырки с возбужденной ловушки в валентную зону показан на рис. 1б. Ниже для простоты из-

ложения рассматривается лишь случаи захвата ловушкой электрона (рис. 1а).

Физическая природа процесса конверсии состоит в изменении межатомного расстояния конфигурации 81+—8Ю (Е центра, ловушки дырок) при захвате электрона [16]. Захват электрона ловушкой может привести к просто нейтрализация положительного заряда без конвертирования в поверхностное состояние. Для учета этого эффекта вводится коэффициент конверсии Ко1 , величина которого лежит в интервале от 0 до 1, т.е. коэффициент Ко1 характеризует долю заряда дырок, которые при отжиге трансформируются в поверхностные состояния.

Захват дырок на ловушки и накопление положительного заряда происходит за времена от единиц микросекунд до сотен миллисекунд. При рассмот-

рении эффекта низкой интенсивности, когда временной масштаб имеет порядок 106—108 с можно считать, что положительный заряд образуется мгновенно. Величина приращения этого заряда пропорциональна поглощенной дозе:

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.

Показать целиком