МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2007, том 36, № 1, с. 62-65
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ^^^^^^^^^^^^ ПРОЦЕССЫ
УДК 621.538
РАДИАЦИОННО-СТИМУЛИРОВАННОЕ ТЕРМИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ КРЕМНИЯ
© 2007 г. Ä. Б. Симаков, Ä. Ю. Башин
Московский инженерно-физический институт (государственный университет)
Поступила в редакцию 03.11.2005 г.
Разработана методика и необходимое оборудование для радиационно-стимулированного термического окисления кремния. Проведено исследование электрических и радиационных характеристик пленки SiO2, выращенной в присутствии гамма-излучения с энергией 511 кэВ. Представлены возможные физические механизмы процессов, происходящих в растущем слое SiO2 при воздействие на него гамма-излучения.
ВВЕДЕНИЕ
Создание радиационно-стойких компонентов для электронных систем космических аппаратов, изделий военной промышленности, экспериментальных установок физики элементарных частиц и других применений является одной из важнейших задач современной микроэлектроники. Большую часть элементной базы современных электронных систем составляют приборы, изготовленные по МОП-технологии, поэтому радиационная стойкость МОП-структур во многом определяет стойкость всей системы в целом. В случае, когда воздействию ионизирующего излучения подвергается МОП СБИС, наиболее чувствительной к такому воздействию частью МОП транзисторов является толстый изолирующий окисел. Если же происходит облучение мощных дискретных МОП транзисторов (доля которых в настоящее время более 30% от общего количества МОП структур), то их радиационная стойкость определяется свойствами подзатворного окисла. Необходимо отметить, что в случае воздействия ионизирующего излучения на тонкие пленки SiO2 наиболее существенно на их радиационную деградацию влияет плотность поверхностных состояний Ыи, в то время как для толстых слоев окисла основную роль играет заряд захваченный в объеме окисла-^.
Вопросу создания радиационно-стойких пленок SiO2 посвящено большое количество работ, связанных, как правило, с радиационно-термической тренировкой готового окисла (т.е. с многократными циклами радиационного воздействия нагрева остывания). Настоящая работа посвящена описанию разработанного авторами метода выращивания радиационно-стойких окислов, имеющего ряд преимуществ: меньшая продолжительность, отсутствие термотренировки, меньшая трудоемкость. Важным достоинством предлагаемого метода является также то, что практически любая установка, используемая для выращивания "обык-
новенных", нестойких окислов, может быть с минимальными затратами переоборудована для выращивания радиационно-стойких пленок SiO2. К недостатку следует отнести использование дорогостоящего линейного ускорителя электронов.
Метод основан на воздействии гамма-излучения со средней энергией 511 кэВ в процессе термического окисления на растущую пленку SiO2.
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА
Большие преимущества в проведении радиа-ционно-технологических процессов дает применение линейных ускорителей электронов (ЛУЭ), как универсальных источников ионизирующего излучения, имеющих широкий диапазон регулировки основных параметров излучения. Одним из преимуществ ЛУЭ перед другими источниками является импульсный характер излучения. При использовании специальных мишеней можно получать вторичные потоки излучений: нейтронное излучение, гамма-излучение и др.
В предлагаемом методе пучок электронов, ускоренных в ЛУЭ, и имеющих энергию приблизительно 34 МэВ, направляется на металлическую мишень (в данной работе в качестве материала мишени был выбран вольфрам), вследствие чего возникает тормозное гамма излучение. Гамма-кванты реагируют с молекулами рабочего вещества (в данном случае деионизованной воды), что приводит к возникновению изотопов О15:
O16 + у = O15 + n. (1)
Нестабильный (время полураспада приблизительно 3 минуты) изотоп О15 вместе с молекулами Н2О переносится посредством водяного насоса в контур камеры термического окисления, где происходят следующие процессы:
• Термическое окисление кремния и рост пленки SiO2.
Рис. 1. Линейный ускоритель У-17 МИФИ.
• Распад изотопа О15 с образованием атома азота и позитрона в соответствии с реакцией:
О1
N +е+ + V.
(2)
Практически мгновенная аннигиляция позитрона приводит к возникновению двух гамма-квантов со средней энергией 511 кэВ:
е+ + е
2 у.
(3)
Таким образом, в процессе термического окисления растущая пленка окисла подвергается постоянному воздействию низкоинтенсивного, стабильного гамма-излучения.
Гамма-контур представляет собой систему, транспортирующую в зону облучения коротко-живущие изотопы, и состоит из линейного ускорителя У-17 МИФИ, показанного на рис. 1, и радиационного контура.
На рис. 2 изображена блок-схема предложенного устройства. Установка состоит из ускорителя электронов 1, на выходе которого расположена мишень 2, конвертирующая ускоренные электроны в тормозное излучение. За мишенью расположен активатор 3, заполненный деионизо-ванной водой. Активатор с помощью трубопровода 4 соединен с облучателем 6. Циркуляция воды по контуру обеспечивается с помощью насоса 5, а скорость циркуляции регулируется вентилем 7. Активатор располагается в активной зоне ускорителя 8, а облучатель в "чистой" зоне 10, отделенной от активной зоны защитой 9. В "чистой" зоне предусмотрена локальная защита излучающих частей установки. Необходимо отметить, что один ускоритель электронов может быть исполь-
зован для обслуживания нескольких установок термического окисления.
Для проведения экспериментов были разработаны и изготовлены две группы тестовых МДП-структур: с окислом, выращенным по обычной технологии, и окислом, выращенным при воздействии низкоинтенсивного стимулирующего гамма-излучения с дозовой интенсивностью 0.5 х 10-3 рад/с (измерялась кремниевым детектором гамма-радиоактивности) [1]. В обоих случаях окисление проводилось на подложке кремния с кристаллографической ориентацией (100} в атмосфере сухого кислорода при температуре 1200°С, толщина окисла составляла 0.12 мкм.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ПРЕДПОЛАГАЕМЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ
В результате проведенных исследований с использованием методов высокочастотной и низкочастотной вольт-фарадных характеристик [2] было установлено, что плотность поверхностных состояний окисла, выращенного при воздействии стимулирующего гамма-излучения, составляет приблизительно 5 х 109 см-2, а пробивное напряжение порядка 70 В. Это соответственно в 10 раз меньше и на 30 % выше соответствующих параметров окисла, выращенного по стандартной технологии. Для исследования радиационной чувствительности окисла, выращенного при воздействии стимулирующего гамма-излучения, использовался имитатор радиационных воздействий-установка "ИРИС", принцип работы которой основан на высокополевой инжекции электронов [3]. Было определено, что сдвиг порогового напряжения при
64
СИМАКОВ, БАШИН
Рис. 2. Блок-схема радиационного контура на ЛУЭ.
эквивалентной радиационной дозе 105 ^Ю2) и интенсивности 1.5 крад/с^Ю2) для гамма-стимули-рованного окисла составляет 0.2 В, в то время как соответствующий показатель для обыкновенного окисла оказался равным 1В.
Очевидно, что электрофизические и радиационные характеристики окисла, выращенного при воздействии стимулирующего гамма-излучения, значительно превосходят характеристики стандартного окисла.
Учитывая многообразие процессов, происходящих во время термического окисления кремния, возможно существование нескольких физических механизмов, приводящих к улучшению характеристик окисла кремния вследствие воздействия на него стимулирующего гамма-излучения в процессе окисления. В данной статье приведены только наиболее очевидные модели, согласующиеся с данными, полученными ранее в работах других авторов.
Существуют ранее опубликованные работы, в которых утверждается, что в образовании радиа-ционно-индуцированного заряда на границе окисел-кремний значительную роль играет водород. Так, в работе [4] предполагается, что во время термического окисления в объеме окисла образуется значительное количество атомов водорода, связанных с кремнием вида Si-H. При воздействии ионизирующего излучения происходит разрыв слабой связи между кремнием и водородом, что приводит к возникновению незаполненной связи кремния, или поверхностной ловушки:
30=81-Н
30 ^- + Н+
(4)
В ряде других работ [5-8] рассматриваются различные вариации выражения (4), в частности, вместо водорода исследуется гидроксильная группа ОН-, делается предположение о перемещении
атомов водорода или группы ОН- к границе раздела кремний-окисел, исследуется вопрос о диме-ризации атома водорода. Однако, в основе всех вышеперечисленных физических механизмов лежит разрыв слабой связи Si-Н или Si-OH вследствие воздействия ионизирующего излучения. Очевидно, что в процессе радиационно-сти-мулированного термического окисления по причине воздействия стимулирующего гамма-излучения так же происходит разрыв слабых связей кремний-водород или кремний-гидроксид. При этом, свободная связь атома кремния с большой вероятностью заполняется атомом кислорода (так как процесс термического окисления не прекращается и атомы кислорода диффундируют к границе раздела окисел-кремний), образуя прочную связь Si-O. Таким образом, воздействие стимулирующего гамма-излучения во время термического окисления приводит к тому, что большая часть слабых связей кремний-водород и кремний-гидрок-сильная группа разрывается и преобразуется в прочные связи кремний-кислород. Вследствие этого, воздействие ионизирующего излучения на готовый МДП-прибор вызывает возникновение значительно меньшего количества незаполненных связей кремния и, следовательно, поверхностных ловушек, что и было отмечено в результате экспериментов.
Существуют работы [9-11], в которых представлена модель градиента деформации связи. Согласно ей, наибольшее количество деформированных и слабых связей кремний-кислород сосредоточено на участке рядом с границей раздела (=3 нм). Вследствие захвата дырок, возникших при воздействии ионизирующего излучения, происходит разрыв данных слабых связей, возникшие незаполненные связи кремния остаются не-
подвижными и могут действовать как
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.