научная статья по теме МОДЕЛИРОВАНИЕ ДОЗОВЫХ ЭФФЕКТОВ В ПАРАЗИТНЫХ МОП-СТРУКТУРАХ КМОП БИС ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ВЫСОКОИНТЕНСИВНОГО ИМПУЛЬСНОГО ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «МОДЕЛИРОВАНИЕ ДОЗОВЫХ ЭФФЕКТОВ В ПАРАЗИТНЫХ МОП-СТРУКТУРАХ КМОП БИС ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ВЫСОКОИНТЕНСИВНОГО ИМПУЛЬСНОГО ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ»

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 33, № 2, с. 108-121

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАДИАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ

В МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ ИЗДЕЛИЯХ =

НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ

УДК 621.3.049.77:539.1.043

МОДЕЛИРОВАНИЕ ДОЗОВЫХ ЭФФЕКТОВ В ПАРАЗИТНЫХ МОП-СТРУКТУРАХ КМОП БИС ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ВЫСОКОИНТЕНСИВНОГО ИМПУЛЬСНОГО ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ

© 2004 г. А. Ю. Никифоров, А. В. Согоян

Экспериментальное научно-производственное объединение "Специализированные электронные системы"

Поступила в редакцию 28.04.2003 г.

Проведено моделирование физических процессов в паразитных МОПТ при воздействии ИИИ с учетом самосогласованного поля радиационно-генерированных зарядов и его флуктуаций, а также действия парной и бимолекулярной рекомбинации. Анализ процессов дисперсионного переноса с учетом локального самосогласованного поля и зависящих от него времен перескока проведен методом Монте-Карло. Рассмотрена специфика импульсной реакции окисла КНИ-структур при наличии в нем центров захвата электронов. Предложен подход к моделированию радиационного поведения изолирующего окисла при высоких мощностях дозы импульсного ионизирующего излучения на основе замены импульсного облучения при комнатной температуре стационарным облучением при низких температурах.

Результаты исследований [1] указывают иа тенденцию возрастания влияния эффектов в изолирующих окислах и связанных с ними паразитных МОП-структурах на радиационное поведение КМОП БИС. Практически все экспериментальные исследования дозовой деградации характеристик БИС на практике проводятся на источниках стационарного гамма- и рентгеновского излучений при средних интенсивностях (10-1000 ед/с), что ставит вопрос о корректности их использования для моделирования эффектов воздействия импульсного ионизирующего излучения с высокими мощностями доз (в диапазоне 1011-1013 ед/с).

В этой связи представляется актуальной задача теоретического анализа особенностей дозо-вых эффектов в паразитных МОП-структурах при воздействии высокоинтенсивного импульсного ионизирующего излучения.

Воздействие импульсного ионизирующего излучения вызывает генерацию носителей в объеме окисла. Параллельно с генерацией протекают процессы первичной рекомбинации и пространственного перераспределения заряда. Анализ показывает, что в толстых изолирующих окислах указанные процессы (на этапе воздействия импульса) могут рассматриваться отдельно от переноса и захвата на ловушки. Специфика этих процессов в паразитных МОП-структурах на изолирующем окисле заключается в следующем.

• Поле радиационно-генерированных зарядов может существенно превосходить внешнее поле. В результате процессы первичной рекомбинации и перераспределения заряда необходимо рассмат-

ривать самосогласованным образом, т.е. с учетом поля, порождаемого самими зарядами.

• В диэлектрике (в отличие от полупроводников) электрические поля слабо экранируются свободными носителями. В результате локальное поле оказывается подвержено флуктуациям, обусловленным случайным расположением зарядов в пленке окисла.

Радиационная реакция паразитных МОП-структур на воздействие импульсного ионизирующего излучения высокой мощности дозы [2] в значительной мере определяется характером рекомби-национных процессов в БЮ2. При воздействии импульсного ионизирующего излучения рекомбинация связана с двумя основными механизмами [3]:

1) парная (или, в некоторых случаях, кулонов-ская), протекающая между носителями, "рожденными" в едином акте ионизации;

2) бимолекулярная рекомбинация, в которой отсутствует корреляция между актами генерации и рекомбинации.

Первый механизм, существенно зависящий от типа ионизирующих частиц, учитывается введением функции выхода первичной рекомбинации [3].

Для описания процессов бимолекулярной рекомбинации можно использовать [2, 3] уравнение переноса с соответствующим рекомбинацион-ным членом:

д п

-дт = °п, РАПп, р ±Мт., р^Пп, р - СкПпПр, (1)

ся = 4 (цп + Цр),

-о -

(1а)

Ся = 4 п ОЯ,

(2)

Я = Яо

1 + 4Шо'

где пп, р - концентрации электронов и дырок, соответственно, Ся - коэффициент рекомбинации Ланжевена. Такая модель бимолекулярной рекомбинации в БЮ2 хорошо описывает экспериментальные результаты при высоких уровнях ионизации и объемной концентрации носителей выше 1018 см-3.

При слабых внешних полях коэффициент захвата в модели Онсагера может оцениваться в диффузионном приближении:

Я = -0 4пь0 - кТ'

Ео =

4 пьоь (кТ)

3

Ч

фт Яо'

(3)

где Я - радиус Онсагера. Для кулоновского центра [3] зависимость радиуса от напряженности поля

Перенос носителей в изолирующих окислах осуществляется в режиме слабого поля. Как указывалось выше, в этой ситуации при анализе процессов в диэлектрике представляется необходимым учитывать статистический характер локальных электрических полей. Следуя работе [4], этот анализ может быть выполнен в рамках статистики Хольцмарка. В соответствии с [4], модуль напряженности электростатического поля в бесконечной среде, равномерно заполненной точечными зарядами с макроскопической плотностью п, имеет статистическое распределение вида

2

2 г 2 Е ( ¡2Л23

н(х) = 2\(е"у81п(ху)йу, х = Е, Ен = Ы й(п)2/3

(4)

Усредняя (3) по распределению (4), получим среднее значение радиуса Онсагера в приближении хольцмарковской статистики:

= Яо|

Я

= I 4п

Н (х)

о 1 + ( — 4~х пн)

1/3

-йх,

^2/3 15 ^

Я

(1.6 Яо )-

(5)

(6)

V--

Ч Це

пр

1 + 1'4о4| п+Р

V пн

1/3

(7)

Таким образом, при рассмотрении первой стадии процесса можно рассматривать перенос дырок в рамках диффузионно-дрейфового приближения при временах менее 100 нс. При больших временах необходим анализ в рамках моделей дисперсионного переноса.

Анализ радиационных процессов на этапе воздействия импульса ИИ проводился в рамках фундаментальной системы уравнений с рекомбинаци-онным членом в бимолекулярной форме:

При Я0 = 14 нм пн ~ 1017см-3. Таким образом, влияние флуктуирующего локального поля на сечение рекомбинации необходимо учитывать при концентрациях носителей более ~1017 см-3. В результате темп бимолекулярной рекомбинации V может быть приближенно описан выражением:

В общем случае перенос дырок в БЮ2 имеет существенно дисперсионный характер и не может описываться обычной фундаментальной системой уравнений непрерывности, переноса и Пуассона. Вместе с тем, на ранних этапах имеет место "быстрый" перенос дырок, допускающий описание в диффузионно-дрейфовом приближении [3]. Другой особенностью процессов быстрого переноса принято считать их ограниченный пространственный (и временной) масштаб - такой перенос отмечается на характерных длинах до 10-15 нм.

_ р _7

дх

+ gfy(Е) - V - (N - р,)/рСр,

дп = _хп+^/у( Е) - и - ^,

2

_ Ф Ч / \

__2 = -Ь1(р- п+рг),

_х ЬоЬ

_ рг

= Nг/рСр - рг(/рСр + /пСп),

/п, р = фТЦп

пп

х

: +

Цп, рЕпп, р,

(8а) (86) (8в) (8г) (8д)

где g = кР - темп генерации электронно-дырочных пар, Р - мощность дозы ионизирующего излучения, /у(Е) - выход первичной рекомбинации, рг - плотность дырок, захваченных ловушками (Е'-центров), N - плотность кислородных вакансий, Сп, Ср - сечения захвата электронов на Е-центр и дырки на нейтральную дырочную ловушку, соответственно. В соответствии с [3] в слабых

о

3

п

н

полях ср ~ 3 х 10 см2, сп ~ 1 х 10 см2. В уравнении (8г), описывающем захват заряда на ловушки, опущено слагаемое, описывающее туннельный и тер-моактивационный отжиг. Как показывает анализ, данный процесс практически незначим на этапе воздействия импульса.

Решение системы уравнений (8) проводилось на одномерной пространственной сетке. Анализировалось радиационное поведение системы при различных толщинах окисла, внешних полях и дозах за импульс. Форма импульса считалась прямоугольной. В ходе анализа рассматривалось поведение системы до момента окончания импульса.

Проведенный анализ показал, что слабое внешнее поле частично компенсируется полем радиационно-генерированных зарядов. При этом наблюдается эффект совместного переноса дырочного и электронного облаков и, в результате, усиления бимолекулярной рекомбинации. С другой стороны, создаваемое электронами и дырками поле влияет на выход первичной рекомбинации. Такое поведение обуславливает специфику радиационной реакции паразитных слоев в слабых полях, заключающуюся в дополнительном (по сравнению с полевой зависимостью выхода первичной рекомбинации) усилении рекомбинации при воздействии импульсного ионизирующего излучения.

На рис. 1 показана дозовая зависимость сдвига порогового напряжения, обусловленного подвижным зарядом в момент окончания импульса.

Во всех проанализированных случаях за время действия импульсного ионизирующего излучения (до 100-300 нс) захват на ловушки оказывался малосущественным. Наблюдается близкая к сублинейной зависимость сдвига порога от дозы в практически значимом диапазоне напряженностей внешнего поля. Отличие поведения зависимости для 10 кВ/см при дозах ~1 Мрад обусловлено некоторым уменьшением коэффициента захвата за счет вклада эффекта Хольцмарка.

Результаты расчета можно аппроксимировать аналитическим выражением путем введения функции поправки Р0, зависящей от напряженности поля, толщины окисла и дозы за импульс:

АУ°т _ АVТоРо(Е, а, О),

Ауо _ л_

АУт0 _ 2£о£

О/ (Е),

(9)

где А Ут 0 - сдвиг порогового напряжения без учета рекомбинации. Вид функции Р0 выбирался таким образом, чтобы при малых дозах она стремилась к единице:

Р _

1 +

а

О ЛЬ_

¿V -

(10)

где а0 = 100 нм, а коэффициенты а, Ь, О0 зависят от поля. Вид функции поправки представлен на рис. 2. В диапазоне толщин диэлектрика а от 100 до 400 нм, доз от 1 крад до 1 Мрад и напряженностей от 10 до 300 кВ/см удовлетворительная аппроксимация результатов расчета достигается при а = 0.69, Ь = 0.55. Зависимость параметра О0 от напряженности внешнего поля представлена на рис. 26. Видно, что при дозах импульсного ионизирующего излучения более 50 крад активная рекомбинация приводит к существенному уменьшению начального сдвига порогового напряжения. С уменьшением внешнего поля влияние рекомби-национных процессов проявляется при меньших дозах за импульс.

Слабые электрические поля определяют также особенности кинетики переноса дырок через окисел. Описанные в

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

Пoхожие научные работыпо теме «Электроника. Радиотехника»