Моделирование радиационных эффектов в структурах металл-диэлектрик-полупроводник. Иванков Ю.В

Воздействие ионизирующих излучений на структуры металл-диэлектрик-полупроводник и приборы на их основе Богатырев, Юрий Владимирович

Моделирование радиационных эффектов в структурах металл-диэлектрик-полупроводник. Иванков Ю.В

Введение к работе

Актуальность темы диссертации.

В настоящее время полупроводниковые приборы со структурой металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) или металл-оксид (БЮгполупроводник (Si) (МОП) широко используются в вычислительной, микропроцессорной, робототехнической, измерительной и приемо-передающей аппаратуре, работающей в условиях воздействия ионизирующих излучений (ИИ), при эксплуатации авиа-, космической, военной и ядерной техники, специальных медицинских и технологических систем на различных объектах в Беларуси и странах СНГ.

Изучение радиационных эффектов в МДП-структурах было начато еще в 60-х годах. Были установлены основные закономерности радиационных процессов в МДП-структурах и приборах на их основе (МДП-транзисторах и интегральных микросхемах).

Оказалось, что по сравнению с биполярными приборами МДП-приборы обладают достаточно высокой радиационной стойкостью (PC) к воздействию нейтронов, но довольно чувствительны к гамма- и электронному излучениям.

Однако до настоящей работы не была создана законченная и точная модель явлений, происходящих в МДП-приборах при облучении.

Это обусловлено, прежде всего, различной технологией приборов, особенностью конструкции, схемотехники и условий применения, что приводит к неоднозначным оценкам поведения конкретных МДП-приборов (даже однотипных) при воздействии радиации. Поэтому проблема обеспечения PC МДП-приборов остается одной из важнейших среди проблем, связанных с повышением надежности и качества изделий электронной техники (ИЭТ).

За последние годы в США, Германии, Франции, Японии и странах СНГ достигнуты определенные успехи в разработке методов прогнозирования и повышения PC МДП-транзисторов и ИМС.

Но в связи с различиями в технологии у разных изготовителей эти методы нельзя непосредственно использовать для обеспечения PC конкретных типов МДП-приборов.

Следовательно, имеет большой практический интерес прогнозирование PC определенных МДП-приборов с помощью тестового облучения и создания эмпирических моделей поведения приборных структур при воздействии ИИ.

До недавнего времени испытания МДП-приборов чаще всего проводились на моделирующих установках при довольно высоких интенсивностях излучений, как правило, в одном электрическом режиме и в узком диапазоне температур.

Для более точной оценки работоспособности МДП-приборов в реальных условиях эксплуатации необходимо проведение комплексных исследований влияния энергии и интенсивности ИИ, электрического режима, температуры окружающей среды в широком диапазоне, а также процессов восстановления (или ухудшения) параметров приборов за время, когда аппаратура, например в Космосе, не подвергается воздействию ИИ вне радиационных поясов Земли.

Кроме того, еще недостаточно или совсем не исследованы: контроль параметров МДП ИМС и входящих в них МДП-транзисторов непосредственно в процессе облучения; влияние ИИ на ВЧ шумовые характеристики МДП-транзисторов; эффект малых доз ИИ в МДП-приборах; влияние условий хранения до облучения на PC МДП ИМС; токовый отжиг облученных МДП ИМС.

Большое практическое значение имеет применение радиационно-термичес-кой обработки (РТО) для повышения PC, а также для управления параметрами МДП-транзисторов и ИМС в процессе производства, что улучшает их качество и надежность.

Особый научный и практический интерес для создания радиационностонких приборов представляют исследования: радиационных свойств МДД-структур с диэлектрическими слоями оксинитрида кремния и оксвда ниобия; влияния ИИ на КМОП/КНИ структуры на основе пористого кремния; воздействия ИИ на структуры металл-GaAs и приборы на их основе — диоды и транзисторы с барьером Шоттки (ДШ и ПТШ) при различных электрических и температурных режимах.

Связь работы с крупными научными программами.

Исследования в данной диссертации проводились в Институте физики твердого тела и полупроводников НАНБ в рамках тем НИР республиканских комплексных программ фундаментальных исследований в области естественных наук «Кристалл-1», «Кристалл-2» (1978-1994 гг.) и республиканских научно-технических программ 27.01р, 27.02р, 27.03р (1983-1987 гг.), «Информатика-1» (1988-1992 гг.).

Целью работы являлось выяснение причин и особенностей радиационных нарушений в МДП-струкгурах и приборах на их основе в зависимости от условий облучения, а также прогнозирование и повышение их радиационной стойкости.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задали.:

определение влияния условий облучения (вида, интенсивности, энергии ИИ, электрического и температурного режимов) на параметры МДП-структур, транзисторов и ИМС на их основе;

разработка методов прогнозирования PC МДП-приборов;

разработка и совершенствование методов повышения PC МДП-транзисторов и ИМС;

разработка и применение методов радиациоішо-термической обработки в технологии МДП-приборов;

выяснение особенностей влияния гамма- и нейтронного излучений на параметры структур металл-GaAs и приборов на их основе (ДШ, ПТШ) при различных электрических и температурных режимах.

Объекты исследований: тестовые МДП-структуры и транзисторы на основе различных диэлектриков: S1O2, S13N4, SixOyNz, ND2O5; серийные МДП-транзисто-ры с индуцироваїшьіми и встроенными п- и р-каналами; стандартные лопгческие КМОП ИМС (элементы НЕ, И-НЕ, ШІИ-НЕ, JK-триггеры, преобразователи уровня); КМОП БИС (статические ОЗУ, арифметические умножители); р-МОП ИМС (ИЛИ-НЕ/ИЛИ); n-МОП БИС (динамические ОЗУ); тестовые элементы БИС на основе структур металл-GaAs (ДШ, ІГГШ).

Методы выполненных исследований. Облучение МДП-приборов проводилось гамма-квантами Со , рентгеновским излучением с энергией 180-200 кэВ и электронами с Ее=4-25 МэВ на линейных ускорителях.

Тестовые GaAs структуры подвергались воздействию гамма-излучения Со60, а также нейтронного облучения от импульсного реактора.

Приборы и тестовые структуры облучались при различных шггенсивностях ИИ в пассивном и активном электрических режимах в диапазоне температур 123-573 К.

На стандартном оборудовании измерялись ВФХ МДП-структур, ВАХ МДП-транзисторов и основные статические и динамические параметры МДП-транзисторов и ИМС до н после облучения фиксированными дозами ИИ, а также непосредственно в процессе гамма- и электронного облучения. В последнем случае контролировались параметры каждого базового МОП-транзистора в составе КМОП ИМС с помощью специальной коммутации выводов микросхем.

Научная новизна и практическая значимость полученных результатов. Впервые установлена линейная зависимость изменений параметров п- и р-канальных МДП-транзисторов от энергии электронов в диапазоне Ее=5-25 МэВ.

Дано теоретическое объяснение такой зависимости, обусловленной возрастанием поглощенной дозы в диэлектрике вследствие увеличения удельных энергетических потерь электронов на ионизацию и тормозное излучение.

Установлены особенности влияния интенсивности электронного излучения (Ес=4 МэВ) в диапазоне (р

Источник: http://www.dslib.net/polu-provodniki/vozdejstvie-ionizirujuwih-izluchenij-na-struktury-metall-dijelektrik-poluprovodnik-i.html

1 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАДИАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ В СТРУКТУРАХ МЕТАЛЛ-ДИЭЛЕКТРИК-ПОЛУПРОВОДНИК

Моделирование радиационных эффектов в структурах металл-диэлектрик-полупроводник. Иванков Ю.В

Книги по всем темам МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАДИАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ В СТРУКТУРАХ МЕТАЛЛ-ДИЭЛЕКТРИК-ПОЛУПРОВОДНИК Пособие Специальности 010400 — физика 014100 — микроэлектроника и полупроводниковые приборы 071900 – материаловедение и технология новых материалов ВОРОНЕЖ 2004 Утверждено научно-методическим советом физического факультета 16 декабря 2003 г. (протокол №5) Составители: Иванков Ю.В., Левин М.Н., Гитлин В. Р., Кадменский С.Г.

Учебное пособие подготовлено на кафедре ядерной физики физического факультета Воронежского государственного университета в обеспечение лекционных курсов «Радиационная физика», «Физическое материаловедение», «Математическое моделирование», читаемых студентам 3 и 4 курсов дневного отделения по специализациям «Ядерная физика», «Медицинская физика». Пособие может быть использовано также для студентов, обучающихся по специальностям «Микроэлектроника и полупроводниковые приборы» и «Материаловедение и технология новых материалов» как для аудиторной, так и для самостоятельной подготовки.

Введение В настоящем пособии рассмотрена природа радиационных дефектов, возникающих под воздействием ионизирующих излучений в системе кремний — двуокись кремния, обсужден механизм радиационного дефектообразования в диэлектрических слоях и на границе раздела полупроводник-диэлектрик структур типа металл-диэлектрикполупроводник (МДП), проведен анализ релаксационных процессов в облученных МДП-структурах.

В качестве примера численного моделирования радиационных эффектов в полупроводниковых приборах проанализирован процесс образования радиационно-индуцированного заряда в диэлектрике МДПструктуры.

Проведено численное моделирование релаксационных процессов в облученной структуре металл-диэлектрик-полупроводник и проанализирована релаксация радиационно-индуцированного заряда в подзатворном диэлектрике под воздействием неразрушающего термического отжига и ультрафиолетовых (УФ) — квантов ближнего спектра.

Анализ основан на численном решении системы уравнений, включающей нестационарные уравнения непрерывности для электронов и дырок, уравнение Пуассона и уравнение кинетики перезарядки глубоких уровней, при заданных краевых и начальных условиях.

1. Природа радиационных дефектов в системе Si-SiO2.

Физические процессы, возбуждаемые ионизирующим излучением в системе Si-SiO2, обусловлены особенностями структуры слоев двуокиси кремния, строением ее энергетических зон и природой Si-O связи.

Ближний порядок в кристаллическом кварце, плавленном кремнеземе и слоях стеклообразной двуокиси кремния определяется единым структурным фрагментом, а именно, кислородным тетраэдром, в центре которого находится атом кремния.

Кремний-кислородный тетраэдр SiO4 является «жестким», сохраняющим неизменность расстояний между формирующими его атомами во всех структурных модификациях (0,162 нм для Si-O и 0,нм для O-O). Взаимное же расположение тетраэдров легко варьируется, обеспечивая структурную гибкость SiO2.

Угол связи между соседними атомами кремния, соединенными мостиковым кислородом, может меняться от 1200 до 1800. Такая структурная гибкость определяет многие уникальные свойства двуокиси кремния, в том числе способность формирования качественной границы с кристаллом кремния.

Кремний-кислородная связь имеет ковалентно-ионный характер с долей ионности 40-50% (к атому кислорода смещен отрицательный заряд, близкий по значению к заряду электрона).

Ковалентная связьво фрагменте Si-O-Si имеет три компоненты, определяемые электронным заполнением орбиталей атомов кислорода (1s22s22p4) и кремния (1s22s22p63s23p6) в основном состоянии.

Со стороны кремния в формировании ковалентной связи участвуют sp3 гибридизированные орбитали, направленные к атомам кислорода в вершинах тетраэдра SiO4. Взаимодействуя с p-орбиталями кислорода sp3 орбитали кремния создают -связи, ориентации которых, совпадают с направлениями осей Si-O.

Кроме того, вклад в ковалентную связь дают гибридизированные орбитали кремния, формируемые незаполненными 3d и 4s оболочками. Они ориентированы в направлениях, соответствующих минимальному перекрытию с sp3 орбиталями.

Взаимодействуя с частично заполненными p-орбиталями кислорода они, образуют -связи, ориентация которых нормальнак направлению оси Si-O.

Ориентированные вдольоси Si-O -связи стремятся к созданию угла SiOSi между соседними тетраэдрами в 1800. Этому препятствуют -связи, стремящиеся уменьшить угол SiOSi до 900.

Соотношение вкладов рассмотренных составляющих в ковалентную связь может меняться без заметного изменения полной энергии системы, что и обеспечивает структурную гибкость двуокиси кремния.

Дополнительная -связь в двуокиси кремния образуется 2p орбиталями соседних атомов кислорода не, участвующих в формировании связей с кремнием. Взаимодействующие орбитали вкислородной -связи ориентированы нормально к оси связи SiO.

Рассмотренная квантовая природа Si-O связи определяет сложный характер структуры энергетических зон двуокиси кремния. Валентная зона SiO2 cостоит из нескольких подзон.

Нижняя подзона обусловлена расщеплением 2s состояний кислорода, а более высокие взаимодействующими sp3(Si) и 2p(O) орбиталями.

Верхняя валентная подзона образована расщеплением взаимодействующих 2p орбиталей кислорода Эта подзона определяет дырочный транспорт в слоях SiO2.

.

Подвижность дырок в двуокиси кремния составляет 10-5-10-10 см2 В-1с-1.

Столь низкие значения подвижности связаны с тем, что наличие дырки (отсутствие электрона на 2p орбитали кислорода вызывает локальное ) искажение химических связей, что в свою очередь создает потенциальную яму для дырки, которая рассматривается в SiO2 как полярон. Перенос дырок в двуокиси кремния осуществляется по 2p состояниям кислородаполяронным прыжковым механизмом.

Достаточно высокие значения подвижности свидетельствуют об обычном зонном механизме токопереноса электронов в слоях двуокиси кремния. Зона проводимости в слоях SiO2 образуется незаполненными dорбиталями кремния, не участвующими в формировании связей с кислородом.

https://www.youtube.com/watch?v=awuySH8pYY0

Слой SiO2 на кристалле Si является стеклообразным и представляет собой «сеть», состоящую из тетраэдров, соединенных вершинами. Число тетраэдров, составляющих ячейку (кольцо) сетки варьируется от трех до восьми. Для объема пленки характерны шестизвеньевые кольца, которым соответствуют углы SiOSi в 1440.

По мере приближения к границе раздела число звеньев снижается до четырех, что обеспечивает сопряжение стеклообразной пленки SiO2 с кристаллом кремния. Химические связи Si-O в кольцах с малым числом звеньев ослабевают, то есть становятся напряженными. Протяженность переходного слоя с напряженными Si-O связями составляет 3-5 нм.

Стехио-метрия в слое с напряженными связями сохраняется и нарушается лишь в слое с толщиной < 1 нм на границе SiSiO2.

Собственные точечные дефекты в SiO2 (точнее сеточные дефекты, поскольку речь идет о стеклообразном SiO2 ) делятся на две категории — дефекты, связанные с вакансией мостикового кислорода (oxygen vacancy related defects -OVRD) и дефекты, связанные с избытком кислорода (oxygen excess related defects — OERD).

К дефектам типа OVRD относится E -центр, представляющий собой атом кремния, связанный с тремя атомами кислорода и имеющий неспаренный электрон (дающий сигнал ЭПР) на болтающейся (dandling) spгибридизированной орбитали. E -центр условно обозначается следующим + образом: O3 Si•K Si O3.

К дефектам типа OERD относятся немостиковый кислородный дырочный центр (nonbridging oxygen related center — NBORC) и перекисный радикал, обозначаемые O3 Si — O • K H — O — Si O3 и O3 Si — O — O • K Si O3, соответственно.

Радиационные дефекты в слое SiO2 могутвозникать засчет генерации под облучением кислородных вакансий:

h Si — O — Si Si+ + • Si +O + e (1) h 2 Si — O — Si Si:Si +O2. (2) Cогласно первой реакции образуются -центры, концентрация E которых может быть определена по величине сигнала ЭПР. E -центры считаются ответственными за накопление радиационного дырочного заряда вдвуокиси кремния.

В результате второй реакции образуются так называемые B2-центры, которые не дают сигналаЭПР и не проявляются в электрических измерениях.

Расчеты показывают, что при создании одного E -центра возникают нейтральных кислородных вакансий (B2-центров).

NBOHC проявляют амфотерный характер и способны к захватукак дырки (что соответствует уходу неспаренного электрона), так и второго электронас образованием отрицательно заряженного центра Эти центры считаются.

ответственными за эффект накопления отрицательного заряда в окислах (в частности при лавинной инжекции электронов в окисел). Механизмом этого эффекта является захват инжектируемого из электрода или генерируемого излучением электрона на группу c образованием отрицательно O SiOH заряженного NBOHC центраи нейтрального атомарного водорода :

— SiOH e + SiO + H Рассмотренные выше дефекты возникают в объеме окисной пленки. На границе раздела Si-SiO2 возникают дефекты типа Pb-центров и его модификаций.

Обычный Pb-центр это атом кремния, связанный с тремя другими атомами Si кристалла и имеющий неспаренный электрон на свободной орбитали, направленной нормально к поверхности.

Pb1-центр представляет собой атом кремния, связанный с двумя атомами кремния и одним атомом кислорода Условные обозначения дефектов границы.

раздела: •Si Si3 для Pb -центра и •Si Si2O для Pb1-центра Эти центры.

имеют амфотерный характер и могут находиться в трех зарядовых состояниях: нейтральном (один неспаренный электрон на болтающейся орбитали), положительном (на болтающейся орбитали нет электронов) или отрицательном (на болтающейся орбитали два электрона Наличие ).

электронанаантисвязывающей орбитали ослабляет связи дефектного атома Si с тремя кремниевыми атомами кристалла и приводит к увеличению расстояния этого атома от плоскости трех других атомов кремния.

Ослаблению химической связи соответствует удаление энергетического уровня Pb-центраот валентной зоны кремния.

При наличии на орбитали двух электронов Si-Si связи максимально ослаблены и энергетические уровни дефектного атома лежат в верхней половине запрещенной зоны, а при отсутствии электронов на антисвязывающей орбитали уровни Pb — центров лежат ближе к валентной зоне кремния, в нижней половине его запрещенной зоны.

Таким образом, Pb-центры проявляют себя акцепторами в верхней половине запрещенной зоны и донорами-в нижней. В энергетическом спектре ПС этому соответствуют два широких пика, c максимами вблизи Ev+0,35 эВ и Ev+0,75 эВ, где Ev — энергетическое положение потолка валентной зоны кристалла Si.

Механизмом генерации ПС в процессе облучения МДП-структуры является разрыв напряженных Si-O связей на границе раздела Si-SiO2, обеспечивающий переход атомов в энергетически более выгодное положение. Результатом такой перестройки является, например, одновременное образование Pb и NOHC- центров.

Следует отметить, что генерация ПС не всегда завершается с прекращением облучения, а может продолжаться длительное время после радиационного воздействия (сотни часов при T=300 K). Основной причиной долговременной генерации ПС в облученных МДП-структурах считается наличие водородав окисной пленке.

Водород неотъемлемо присутствует в слоях SiO2 МДП-структур вконцентрациях не менее 1017 см-3. Во «влажном» Siокисле он преимущественно связан с кислородом в форме — OH, в Si«сухом» окисле — с кремнием: — H.

В результате облучения происходит радиолитическая реакция высвобождения атомарного водорода:

h Si — OH Si — O • + H0 (влажный окисел) (3а) h Si — H Si • + H0 (сухой окисел) (3b) Образовавшийся атомарный водород вступает в следующие реакции:

H + H H2 (3c) 0 • H2 + Si — O SiOH + H0 (3d) H + Si — O • SiOH (3e) H0 + Si3 — Si — H + e (изSi) Si3 — Si •+ H (3f) Здесь(3c) — реакция димеризации атомного водорода вмолекулу; (3d), (3e) — реакции взаимодействия молекулярного и атомарного водорода с немостиковым кислородом, определяющие процессы диффузии H2 и H0, соответственно; (3f) — реакция образования ПС награнице раздела. Наличие электрона в левой части уравнения (3f) отражает тот факт, что реакция образования ПС имеет место только при положительном потенциале на затворе.

Генерация радиационных дефектов на границе Si-SiO2 связана с разрывом напряженных Si-O связей и переходом ионизированных атомов в новое пространственное положение, соответствующее уменьшению потенциальной энергии решетки. Вероятность восстановления разорванной связи тем выше, чем меньше отличается новое положение атомов от исходного, то-есть чем менее напряженной являлась исходная связь.

Отметим, что компрессионное воздействие электрода МДП-структуры на границу раздела Si-SiO2 приводит к уменьшению межатомного расстояния в разупорядоченной переходной области окисла и снижает напряженность SiO связей на границе раздела, увеличивая тем самым вероятность восстановления разорванных связей, а следовательно и радиационную стойкость МДП-структуры.

Образование ПС в облученных МДП-структурах может происходить и за счет поступления радиационных дефектов из объема окисной пленки на границу раздела. Например, возможно движение немостикового кислорода, обусловленное наличием градиента напряженных связей вполе внутренних упругих напряжений.

При высокой концентрации водорода в окисной пленке упругие напряжения перестают оказывать влияние на чувствительность МДПструктуры к ионизирующей радиации.

Это связано с тем, что при повышении содержания водородазначительная часть ПС образуется за счет разрыва слабых Si-H или Si-OH связей, которые испытывают значительно меньшее влияние механических напряжений, чем Si-O cвязи, формирующие структуру окисной пленки и границу ее раздела с кремнием. Отметим, что отжиг облученных МОП-структур в водороде снижает объемный заряд в окисле и плотность ПС за счет пассивации радиационных дефектов, однако, уровень деградации таких МДП-структур при последующем облучении возрастает. Таким образом, наличие водорода или про-дуктов разложения воды в окисле неблагоприятно сказывается на радиационной стойкости МДП-приборов.

2. Механизмы образования радиационного заряда в диэлектрических слоях МДП-структур.

Coгласно модели Гроува-Сноу под действием ионизирующего излучения вдиэлектрике МДП-структуры происходит генерация электроннодырочных пар, разделение этих пар электрическим полем, уход более подвижных носителей — электронов изокисного слоя в электроды и захват менее подвижных носителей — дырок наловушечные центры в диэлектрике.

Процесс дырочного захвата продолжается до компенсации напряженности внешнего электрического поля полем накапливаемого объемного заряда и Qot прекращения разделения результирующим электрическим полем электронно -дырочных пар, генерируемых излучением.

На основе этой модели Митчелл дал первое аналитическое описание процессаобразования зарядавдиэлектрике МДП-структуры, дополнительно предположив что накопленный при облучении дырочный заряд Qot равен, заряду электронов, ушедших из окисла.

Такой подход позволил объяснить экспериментально наблюдаемые эффекты насыщения дозовой зависимости захваченного дырочного заряда Qot(D), где D-поглощенная доза, и увеличения этого зарядапри повышении напряжения наоблучаемой МДПструктуре.

Принципиальным недостатком работы Митчелла явилосьто, что анализ накопления радиационного заряда не включал в рассмотрение микроскопические характеристики центров дырочного захвата.

Работы по численному моделированию образования заряда вдиэлектрике облучаемой МДП-структуры были выполнены Черчиллем и Хьюзом.

Описание накопления дырочного зарядаосновывалосьна решении системы уравнений, включающей нестационарные уравнения непрерывности для электронов и дырок в диэлектрике, уравнение Пуассона и уравнение кинетики дырочного захвата на глубоких уровнях.

Решение этой системы уравнений позволило выяснить, что скорость начального накопления заряда Qot(D) зависит от концентрации центров дырочного захвата Nt, вероятности разделения генерируемых пар fy(E) и сечения захвата дырок, а предельная p величина накопленного дырочного заряда — концентрации Nt и от соотношения сечений захвата электронов и дырок.

n p Многочисленные исследования были проведены по сопоставлению воздействий наМДП-структуры высокоэнергетических -квантов ( E ~1,MэВ, Со60) и низкоэнергетических рентгеновских лучей (Ex~10-60 кэВ).

Книги по всем темам

Источник: http://knigi.dissers.ru/books/1/19955-1.php

Biz-books
Добавить комментарий