научная статья по теме ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ И РЕЛАКСАЦИИ ЗАРЯДА В КНС СТРУКТУРАХ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ И РЕЛАКСАЦИИ ЗАРЯДА В КНС СТРУКТУРАХ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ»

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2011, том 40, № 3, с. 209-223

ВЛИЯНИЕ ДОЗОВЫХ ФАКТОРОВ ^^^^^^

НА СТОЙКОСТЬ ИЗДЕЛИЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

УДК 621.382

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ И РЕЛАКСАЦИИ ЗАРЯДА В КНС СТРУКТУРАХ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ

© 2011 г. А. В. Согоян, Г. Г. Давыдов

Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", ОАО "ЭНПО Специализированные электронные системы" ggdav@spels.ru avsog@spels.ru Поступила в редакцию:03.08.2010 г.

Проведены экспериментальные исследования особенностей формирования заряда в КНС структурах при облучении. Предложена модель, позволяющая описать зависимость кинетики накопления и релаксации заряда в системе 81—А1203 от напряженности поля, температуры, интенсивности и вида ионизирующего излучения. Исследовано влияние двумерного характера процессов на формирование заряда в КНС МОП-приборах.

ВВЕДЕНИЕ

Основным фактором, определяющим радиационное поведение современных БИС, выполненных по технологии "кремний на сапфире" (КНС) при воздействии стационарного или импульсного ионизирующего излучения (ИИ), является заряжение сапфировой подложки [1, 2]. Достаточно полной картины радиационного поведения системы 8ьА1203 в настоящее время не сформировано. Экспериментально установлено накопление положительного заряда в сапфировой подложке при воздействии ИИ [1]. При определенных условиях может также наблюдаться инжекция электронов из кремниевой подложки и их захват в Л1203, приводящий к компенсации и перекомпенсации положительного заряда [3]. В нелегированном Л1203 основными типами дефектов, по-видимому, являются Б, Б+ и А1+ центры [3—6]. В системе 81/Л1203 представляется возможным существование переходного слоя нестехиометрического окисла 81/8Юх/А1203 и как следствие — традиционных для окисла дефектов типа Е' и Рь-центр [7].

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАДИАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ В СТРУКТУРЕ 81/АЬ203/81

Для уточнения представлений о процессах формирования радиационно-индуцированного заряда в системе 81/А1203/81, в первую очередь — о пространственной локализации ловушек дырок и характере релаксационных процессов, был проведен ряд экспериментальных исследований. С этой целью совместно с НПП "Сапфир" была разработана и изготовлена специализированная тестовая структура (рис. 1). В тестовой структуре формирование и

управление каналом на границе с сапфиром осуществляется двумя дополнительными проводящими областями, играющими роль затворов "нижнего" (паразитного) транзистора (затвор 1 и затвор 2 на рис. 1). Объектами исследований являлись также КМОП КНС ИС различного функционального назначения, изготовленные в ФГУП "ФНПЦ НИИ измерительных систем им. Седакова" (НИИИС). Специфика конструкции исследованных ИС (кристалл размещен на полиамидном носителе) позволяла получить доступ к тыльной части кристалла и использовать ее в качестве "нижнего затвора". Для этих целей на нижней грани сапфировой подложки исследуемых ИС формировался контакт из проводящего полимерного состава.

С целью исследования взаимосвязи между приращением тока потребления КНС БИС в процессе облучения и величиной захваченного заряда, было проведено облучение КНС ИС с контактом к сапфировой подложке. В процессе облучения напряжение на контакте поддерживалось равным 0, напряжение питания ИС составляло 7 В. Измерялась величина обратного смещения на подложке, необходимого для того, чтобы возросшее в результате облучения значение тока потребления уменьшилось до заранее установленной величины (50 мкА). На рис. 2 показаны зависимости сдвига потенциала подложки А Ков от величины тока потребления. Как показывает анализ, такое изменение "порогового напряжения" паразитного канала в первом приближении пропорционально суммарному положительному заряду на границе 81/А1203.

В следующей серии экспериментов исследовалась полевая зависимость темпов накопления заряда. Тестовая структура (рис. 1) последовательно облучалась при различном смещении на дополнительных затворах в диапазоне от —80 до +80 В.

Рис. 1. Схематическое изображение разреза (а) и внешний вид топологии (б) тестовой структуры. Показаны силовые линии электрического поля, замыкающиеся на границе с приборным слоем.

Зависимость тока утечки КНИ МОПТ от времени облучения показана на рис. 3. Видно, что она имеет ярко выраженный насыщающийся характер, причем уровень насыщения определяется полевым режимом.

Насыщение дозовой зависимости тока утечки обычно связывают с действием следующих механизмов [7]:

1. заполнение всех ловушек дырок, существующих на границе 81/Л1203;

2. ограничение притока новых дырок полем захваченного положительного заряда;

3. достижение динамического равновесия между захватом дырок на ловушки и их рекомбинацией с радиационно-генерируемыми электронами в сапфире.

Выявление доминирующих механизмов насыщения дозовой зависимости 1СС потребовало проведения серии экспериментов. КНС ИС ВА1 и ИР1 последовательно облучались при различных напряжениях питания в диапазоне от 10 до 3 В; в ходе экс-

перимента проводилось измерение величины тока потребления ИС при фиксированном напряжении питания (7 В). Результаты эксперимента представлены на рис. 4. Видно, что ток утечки (определяемый положительным зарядом на границе 81/Л1203) не только возрастает на начальном этапе облучения, но и уменьшается при снижении напряжения питания (предположительно за счет эффекта радиационного отжига [2]).

Аналогичные результаты были получены в следующей группе экспериментов, в которой облучение проводилось при различных смещениях на сапфировой подложке КНС ИС и постоянном напряжении питания (рис. 5). Принципиально, что при увеличении напряжения на подложке установившееся значение тока увеличилось в 30 раз.

Полученные результаты позволяют утверждать, что насыщение тока не связано с исчерпанием свободных ловушек дырок по механизму 1, а определяется процессами 2 и 3, существенно зависящими от величины внешнего поля в подложке.

4000 3500 3000

«

« 2500 <

2000 1500 1000 500

0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 /ее, мА

Рис. 2. Зависимость изменения смещения на подложке от тока потребления КНС ИС.

10-5 10-6 10-7 10-8 < 10-9 10-10 10-11 10-12 10-13 10-14

0 100 200 300 400 500 600 700 800

с

Рис. 3. Зависимость тока утечки КНИ МОПТ от времени облучения при различных смещениях на дополнительных электродах.

Важной особенностью радиационного поведения исследованных КНС структур являлась наблюдавшаяся зависимость уровня насыщения тока утечки от характеристик ионизирующего излучения. В процессе исследования одна группа тестовых структур на первом этапе подвергались воздействию рентгеновского излучения при последовательно изменяющемся смещении на дополнительных затворах (рис. 6). Максимальная энергия квантов тормозного спектра излучения составляла 45 кэВ. После набора определенной дозы структуры облучались при отрицательном смещении на затворе, что приводило к отжигу накопленного заряда

(см. рис. 3) и восстановлению их состояния. На втором этапе структуры облучались гамма-излучением. Во второй группе тестовых структур на первом этапе проводилось гамма-, а на втором — рентгеновское облучение образцов в аналогичных полевых режимах. На рис. 6 показаны типовые зависимости изменения тока утечки в образцах первой и второй групп при дозовом воздействии. Видно, что при любой последовательности воздействия максимальный уровень токов утечки оказывался больше при гамма-облучении. В наибольшей степени различие проявлялось при небольших смещениях на дополнительных затворах. Аналогичная картина наблю-

«

¿0.6 ^ 0.4 0.2 0

1000 1500 2000 Время облучения, с

2500 3000

Рис. 4. Зависимость тока потребления ИС от времени облучения при различных последовательно изменяемых значениях напряжения питания Усс.

Время облучения, с

Рис. 5. Зависимость тока потребления ИС от времени облучения при различных потенциалах сапфировой подложки.

далась при облучении КНС ИС серии 1825 (рис. 7). В большинстве изученных случаев указанное различие превышало 10%.

В экспериментах следующей серии изучалась кинетика релаксации радиационно-индуцирован-ного заряда (РИЗ) в КМОП КНС структурах. На рис. 8 представлены зависимости тока потребления при облучении и отжиге КНС ИС ИР1. Облучение и измерение тока проводилось в едином электрическом режиме при напряжении питания 7.0 В. Отжиг проводился при различных напряжениях питания. Видно, что величина напряжения питания в диапа-

зоне 0—10 В практически не влияет на кинетики релаксации.

Необходимо отметить, что приложенные смещения не обеспечивали не только изменения зарядового состояния границы кремний-сапфир (инверсия/аккумуляция), но и вообще существенного изменения уровня Ферми в этой области ПП. С другой стороны, именно положение уровня Ферми в приповерхностной области в ряде случаев определяет характер перезаряда дефектов окисла [8]. В следующем эксперименте к подложке ИС ИР1 в процессе отжига прикладывалось знакопеременное смещение, достаточное для существенного измене-

В, тыс. ед

Рис. 6. Дозовые зависимости тока утечки тестовых структур при воздействии рентгеновского и гамма-излучения.

1.4 1.2 1.0 0.8 ^ 0.6 0.4 0.2 0

J_I_I

0 100 200 300 400

В, тыс. ед

Рис. 7. Дозовые зависимости тока потребления при гамма- и рентгеновском облучении образца КНС ИС.

ния концентрации электронов в канале "нижнего транзистора" (рис. 9). В результате наблюдался эффективный перезаряд радиационно-генерирован-ных медленных состояний границы раздела. Данный процесс оказался частично обратимым. Кинетики релаксации РИЗ в каждом цикле перезаряда имеют логарифмический характер, что указывает на широкое распределение дефектов по времени релаксации. Описанная особенность поведения РИЗ полностью соответствует картине, наблюдаемой в системе кремний- собственный оксид [8].

Существенное значение для понимания механизмов перезаряда дефектов окисла имеют темпе-

ратурные зависимости процессов релаксации. На рис. 10 представлены зависимости тока потребления ИС ИР1 от времени в процессе облучения и отжига при различной температуре. Напряжение питания ИС в процессе эксперимента составляло 7.0 В. Главная особенно

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