НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2012, том 48, № 3, с. 272-275
УДК 544.032.6
ВЛИЯНИЕ ИМПЛАНТАЦИИ ИОНОВ ФТОРА НА РАДИАЦИОННО-ИНДУЦИРОВАННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЛОЯХ КОМПОЗИЦИЙ КРЕМНИЙ/ИЗОЛЯТОР
© 2012 г. О. П. Гуськова*, В. М. Воротынцев**, Н. Д. Абросимова*, Е. Л. Шоболов*, М. Н. Минеев*
* Институт измерительных систем им. Ю.Е. Седакова, Нижний Новгород
**Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева
e-mail: vlad@vorotyn.nnov.ru Поступила в редакцию 24.06.2011 г.
Исследовано влияние ионизирующего излучения на МОП/КНИ-структуры, скрытый диэлектрик которых имплантирован ионами фтора. Из анализа высокочастотных и низкочастотных вольт-фа-радных характеристик следует, что фторирование скрытого диэлектрика позволяет значительно снизить величину накопленного заряда и значение плотности поверхностных состояний на границе кремний/диоксид кремния после воздействия ионизирующего излучения.
ВВЕДЕНИЕ
Полупроводниковые интегральные микросхемы, созданные на основе структур КНИ (кремний на изоляторе), находят широкое применение в качестве элементной базы современной вычислительной техники различного назначения, в том числе работающей в полях радиационного воздействия, например в бортовой технике космических летательных аппаратов, атомной энергетике, оборонной промышленности.
В связи с этим работы, направленные на повышение стойкости интегральных микросхем к внешним воздействующим факторам, приобретают особую значимость. Установлено [1], что для интегральных схем, изготовленных на структурах КНИ, наибольшую опасность представляют эффекты, связанные с накопленной дозой. Одним из них является накопление положительного заряда в диэлектрических слоях структур КНИ. Для снижения радиационной чувствительности диэлектриков применяются различные методы радиацион-но-термической обработки исходных структур КНИ, результатом которых является снижение влияния свободных дырок, генерируемых при облучении, и уменьшение заряда в диэлектрике, связанного с захватом дырок ловушками. Эффект достигается либо путем снижения концентрации дырочных ловушек, либо внесением электронных ловушек.
Одним из наиболее распространенных методов, связанных с внесением дополнительных элек-
тронных состояний в зонную структуру диэлектрика и компенсацией имеющихся дырочных центров захвата, является имплантация различных примесей (азота, германия, кремния, фтора, мышьяка и др.).
Следует отметить, что результат данного вида обработки чувствителен к технологии получения слоев, а также зависит от параметров имплантации. Поэтому необходимо проведение исследований влияния ионной имплантации на свойства приграничной области кремний/диоксид кремния, оказывающей существенное влияние на характеристики приборов.
Работы в данном направлении проводились зарубежными исследователями [2, 3] для структур КНИ, полученных методом SIMOX.
Цель данной работы — экспериментальное исследование влияния имплантации скрытого диэлектрика на протекание радиационно-индуциро-ванных процессов в структурах МОП/КНИ я-типа проводимости, сформированных методом Dele Cut.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Объектами исследований являлись тестовые структуры, представляющие собой конденсаторы МОП (изготовленные в ИФП СО РАН) на пластинах КНИ, сформированных методом Dele Cut и имеющих я-тип проводимости. Толщины отсеченных слоев кремния и скрытого диэлектрика со-
ВЛИЯНИЕ ИМПЛАНТАЦИИ ИОНОВ ФТОРА
273
ставляли ~300 нм. Фторирование скрытого диэлектрика осуществлялось ионами с энергией 40 кэВ дозами 3 х 1014, 1 х 1015 и 3 х 1015 ион/см2. Облучение рентгеновским излучением осуществлялось до уровня 6 Ус.
Наиболее эффективным инструментом для получения информации о поведении имплантированных в структуру диоксида кремния ионов, создающих дополнительные зарядовые состояния в диэлектрике, является проведение измерений высокочастотных вольт-фарадных характеристик (ВФХ) в сочетании с низкочастотными ВФХ. Проведение такого комплекса исследований позволяет изучать не только кинетику накопления заряда в диэлектрических слоях после воздействия ионизирующего излучения, но и получить энергетическое распределение ловушек в запрещенной зоне кремния в составе МОП/КНИ-структур. Методика анализа результатов измерений высокочастотных и низкочастотных ВФХ описана в [4] для конденсаторов МОП.
Широкое применение конденсаторов МОП в качестве объекта исследований обусловлено возможностью анализа основных процессов, протекающих в полупроводниковых приборах в сочетании с удобством проведения измерений и относительно низкой трудоемкостью изготовления МОП-конденсаторов.
Особенностью тестовых структур МОП/КНИ является наличие двух границ раздела диэлектрик/полупроводник, вследствие чего такую структуру можно рассматривать как два МОП-конденсатора, включенных навстречу друг другу.
В общем случае необходим учет перекрытия поверхностных потенциалов границы скрытого диэлектрика с подложкой (термическая граница) и с приборным слоем (граница сращивания). Однако в [5] показано, что их взаимное влияние мало и погрешность вычислений без учета перекрытия не превышает 10%.
В данной работе измерения тестовых МОП/КНИ-структур проводили на прецизионном мультиметре. Контакт к образцам осуществлялся с помощью зондовой системы.
Исследования электрофизических параметров тестовых структур методом проводимости, а также методом высокочастотных ВФХ слоя выполняли до и после воздействия рентгеновского излучения.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Были измерены высокочастотные и низкочастотные ВФХ тестовых структур КНИ/МОП с за-
40
и, В
Рис. 1. Высокочастотные ВФХ тестовых МОП/КНИ-структур с различными дозами имплантации ионов фтора в скрытый диэлектрик: 3 х 1014 (2), 1 х 1015 (3), 3 х1015 см-2 (4); 1 — неимплантированный диэлектрик.
глубленным диэлектриком, модифицированным имплантацией ионов фтора.
Результаты измерений высокочастотных ВФХ для тестовых структур КНИ/МОП с диэлектриком, модифицированным имплантацией ионов фтора, представлены на рис. 1. Видно, что имплантация приводит к изменению напряжения плоских зон, причем величина сдвига напряжения плоских зон сильно зависит от дозы имплантации. Имплантация ионов фтора в структуру скрытого диэлектрика дозой 3 х 1014 см-2 приводит к снижению величины положительного встроенного заряда вблизи термической границы. Однако при данной дозе имплантации изменяется вид высокочастотных ВФХ в области положительных значений напряжений на затворе. Это может быть связано со сменой типа проводимости на границе сращивания, вызванной дефектами типа термодоноров.
При увеличении дозы имплантируемых ионов фтора до 1015 см-2 наблюдается накопление положительного заряда вблизи термической границы, при этом имплантация незначительно влияет на границу сращивания.
Влияние имплантации ионов фтора дозой 3 х
х 1015
см
на обе границы кремний/диоксид
кремния незначительно.
Для изучения влияния ионизирующего излучения на структуры МОП/КНИ с модифицированным диэлектриком были проведены измерения высокочастотных ВФХ облученных структур. Результаты измерений представлены на рис. 2. Видно, что имплантация заглубленного диэлектрика тестовых МОП/КНИ-структур ионами
274
ГУСЬКОВА и др.
С/Сох 1.0
♦ 1
- 2
4
10 20 30 40 и, В
Рис. 2. Высокочастотные ВФХ тестовых МОП/КНИ-структур с различными дозами имплантации ионов фтора в захороненный диэлектрик после воздействия ионизирующего излучения до 6 Ус: 3 х 1014 (2), 1 х х 1015 (3), 3 х 1015 см-2 (4); 1 — неимплантированный диэлектрик.
Ж„ эВ 1 см 2
10
'
12
10
11
10
10
109
+
+ § л.®
++ Л>
ОО „
+ 1
о 2
О 3
0.1 0.2 0.3 0.4
0.5 0.6 Е-Е,, эВ
Рис. 3. Распределение плотности поверхностных состояний в запрещенной зоне кремния до воздействия ионизирующего излучения для тестовых МОП/КНИ-структур с различными дозами фторирования диэлектрика: 1 х 1015 (2), 3 х 1015 см (3); 1 — неимплантированный диэлектрик.
эВ 1 см 2
1012 1011 1010 109
о о
оо О
+ 1
о 2 0 3
0
0.1 0.2 0.3 0.4
0.5 0.6 Е-Е,, эВ
Рис. 4. Распределение плотности поверхностных состояний в запрещенной зоне кремния после воздействия ионизирующего излучения для тестовых структур МОП/КНИ с различными дозами фторирования диэлектрика: 1 х 1015 (3), 3 х 10 см-2 (1); 2 — неим-плантированный диэлектрик.
фтора дозой 1015 см-2 приводит к значительному снижению величины положительного заряда на границе сращивания при воздействии ионизирующего излучения.
По измеренным высокочастотным ВФХ был проведен расчет сдвига напряжения плоских зон и радиационно-индуцированного заряда для тестовых структур МОП/КНИ, диэлектрик которых был подвергнут имплантации ионов фтора.
Результаты расчетов представлены в таблице. Из них следует, что имплантация ионов фтора дозой 1 х 1015 см-2 в заглубленный диэлектрик тестовых структур МОП/КНИ приводит к снижению индуцированного ионизирующего излучения заряда на границе сращивания более чем в 2 раза. Важно отметить, что вследствие деградации вида высокочастотных ВФХ МОП/КНИ-структур, скрытый диэлектрик которых модифицирован имплантацией ионов фтора дозой 3 х х 1014 см-2, в области положительных смещений на затворе невозможно определить сдвиг напряжения плоских зон и накопленный заряд вблизи границы сращивания.
С целью изучения влияния имплантации ионов фтора на дефектную структуру приграничной области кремний/диоксид кремния были проведены расчеты энергетического расположения поверхностных состояний в запрещенной зоне кремния. Расчеты плотности поверхностных состояний выполняли интегральным методом [6] по измеренным низкочастотным ВФХ для имплантированных и неимплантированных структур до и после воздействия ионизирующего излучения.
Распределение плотности поверхностных состояний в запрещенной зоне кремния до и после воздействия ионизирующего излучения для тестовых структур МОП/КНИ с различными дозами фторирования диэлектрика представлены на рис. 3 и 4.
Из рис. 3 видно, что для имплантированных структур отсутствуют глубокие ловушки у середины запрещенной зоны, а существующие ловушки расположены у края зоны проводимости. Имплантация диэлектрических слоев ионами ф
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.