Кинетика накопления и отжига радиационных дефектов в активных областях кремниевых МОП и КМОП структур тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

/Г 5 ОД

П 3 Ш '937 н •

• • На правах рукописи

ТАПЕРО КОНСТАНТИН ИВАНОВИЧ.

КИНЕТИКА НАКОПЛЕНИЯ И ОТЖИГА РАДИАЦИОННЫХ ДЕФЕКТОВ В АКТИВНЫХ ОБЛАСТЯХ КРЕМНИЕВЫХ МОП И КМОП СТРУКТУР

Специальность 01.04.10 - Физика полупроводников и диэлектриков

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 1996

Работа выполнена на кафедре Полупроводниковой электроники и физики полупроводников Московского государственного института стали и сплавов.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор ЛАДЫГИН Е.А.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук Аладинский Владимир Константинович,

кандидат физико-математических наук Осипов Юрий Васильевич.

Ведущее предприятие: Научно-исследовательский институт молекулярной электроники, г. Зеленоград

Защита диссертации состоится на заседании

диссертационного совета Д.053.08.06. при Московском государственном институте стали и сплавов.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного института стали и сплавов.

Автореферат разослан "_

/ 7 " ЯН ¿а}) А_199?г.

Ученый секретарь дисертационного совета кандидат физико-математических наук, доцент

Гераськин В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы. В последние годы радшцнонно-техшлогические процессы (РТП), состоящие т последовательных операций обработки высоко-энергетичиыми частицами и отжига (термического или лучевого), успешно применяются в производстве различных типов полупроводниковых приборов (ПП) и интегральных микросхем (ИМС) для управления параметрами, исправления параметрического брака, повышения быстродействия, радиационной стойкости и выхода годных изделий. Кроме того, различные варианты радиа-ционно-термической обработки позволяют выявлять ПП и ИМС со скрытыми дефектами, использование которых может привести к снижению надежности электронной аппаратуры, особенно и случае ее эксплуатации в условиях воздействия жестких внешних энергетических факторов, например, ионизирующих излучений (ИИ) космического пространства.

В связи с широким использованием в радиоэлектронной аппаратуре ПП и ИМС, работ ающих на принципах переноса тока основными носителями заряда и выполненных на основе структур мегалл-диэлеетрик-полупроводник (МДП), становится актуальной задача выявления закономерностей физических процессов, протекающих в различных областях МДП-структур при воздействии радиации и последующем отжиге, и разработки оптимальных режимов РТП для управления параметрами и повышения радиационной стойкости МДП ПП н ИМС. Наиболее часто в качестве диэлектрика в кремниевых МДП-структурах используется диоксид кремния, так как в этом случае граница раздела кремний-диэлектрик получается с наилучшими характеристиками. Более того, даже в случае использования других диэлектриков, например, нитрида кремния, обычно для улучшения свойств границы раздела создается подслой Следовательно, можно заключить, что основным элементов МДП ПП и ИМС является структура Бт-БЮг, и процессами, протекающими в данной структуре при радиационном облучении или отжиге, во многом будет обусловлено изменение параметров ПП и ИМС, -

Большая степень интеграции, низкая потребляемая мощность, сравнительно высокое быстродействие обусловили перспективность использования структур металл-окисел-полупроводник (МОП) и особгчно ПН и ИМС, пынолнеп-ных па основе комплементарных МОП транзисторных структур (КМОП). Однако, представление о физических процессах, протекающих в их активных областях, отличающихся технологическими и конструктивными особенностями.

при воздействии ИИ и термическом отжиге, недостаточно полное. Поэтому комплексное изучение зарядового состояния диэлектрика, границы раздела полупроводник-диэлектрик, объема и приграничной области полупроводника, кинетики накопления, перестройки и отжига радиационных дефектов, образующихся в акшвных и пассивных областях реальных КМ01| структур на различных этапах радиационной и термической обработки весьма актуально. Решение этих задач позволит развить физико-технические основы РТП для класса МОП и КМОП ПП и ИМС с целью управления их электрофизическими н электрическими параметрами, повышения симметричности параметров транзисторов, входящих в состав КМОП структур, повышения стабильности параметров и устойчивости к воздействию ИИ.

Цель диссертационной работы - во-первых, экспериментально исследовать кинетику зарядовых процессов, происходящих в МОП и КМОН-структурах при радиационном облучении и термическом отжиге, во-вторых, разработать теорегические модели, описывающие кинетику зарядовых процессов, происхо-. дящих в структурах Б^БЮг при радиационно-термических воздействиях, в-третьих, разработать оптимальные режимы и оценить эффективность применения РТП для управления электрическими параметрами ИМС, изготовленных на основе КМОП-структур.

Для достижения поставленной цели в рабоге решались следующие задачи.

1) Установить физические закономерности формирования, перестройки и • отжиги поверхностных состояний (ПС) на границе раздела кремний-

диэлектрик, а также заряда в подзатворном диэлектрике КМОП и МОП структур на различных этапах операций радиационного облучения и отжига.

2) Усгшювигь взаимосвязь изменения электрофизических параметров МОП и КМОП ПП и ИМС с зарядовым состоянием физических областей исследуемых структур.

3) Провести сравнительный анализ физических процессов, протекающих в МОИ и КМОП структурах при воздействии различных видов ИИ, а также разработать теоретические методы для сравнительной оценки эффективности воздействия на МОП и КМОП структуры различных видов ионизирующих излучений.

4) Разработать методику и провести исследование зарядовых неоднород-ностей в реальных КМОП структурах серии 564 при облучении и отжиге на основе измерения электрофизических характеристик тестовых структур на пластинах.

5) Разработать методику для выявления структур со скрытыми дефектами с помощью тестового радиационного облучения н термического оглсига применительно к реальным KMOII ИМС серии 564.

6) Разработать физически обоснованные рекомендации по оптимизации режимов проведения операций ПТ1 для управления параметрами KMOI1 ИМС серии Б747.

Для успешного решения поставленных задач необходимо провести исследование радиационных процессов в МОП и ШОП структурах в широком диапазоне доз. Так, для исследования поверхностных ионизационных процессов и разработки методики радиационной отбраковки потенциально ненадежных ПП и ИМС необходимо проводить облучение небольшими интегральными потоками (~1()1Э см"2), /{ля исследования радиационной стойкости ПП и ИМС и механизмов их деградации при облучении интегральный поток ИИ должен быть значительно больше (~1015-10,в см"2). D целях управления параметрами ПП н 1 ИМС с помощью РТП необходимо проводить "сверхглубокое" облучение исследуемых структур интегральными потоками свыше I016cm~2. На основании этого при проведении экспериментальных исследований в данной работе интегральные потоки ИИ (электронов и гамма-квантов) изменялись п широком диапазоне: от Ю10 до 1017 см"2.,

Кинетика радиационных процессов в МОП и КМОП структурах также во многом определяется конс1руктинно-технологическими особенностями облучаемых образцов. Поэтому для проведения исследований были выбраны различные варианты МОП и КМОП ПП и ИМС: дискретные транзисторы типа КТО 01 и 2Ш05, а также тестовые структуры на пластинах КМОП ИМС серий 564 и 747. Данные структуры различаются но своим топологическим размерам и особенностям строения затворной системы (толщина и состав диэлектрика, материал затвора и др.).

Научная новизна представленных в данной диссертационной работе результатов заключается в следующем:

- разработаны теоретические модели зарядовых процессов, протекающих в подзатворном диэлектрике и на границе раздела кремний-диэлектрик при радиационном облучении и термическом отжиге, в которых помимо процессов ионизации и захвата образующихся при этом дырис на ловушки, имеющиеся в данных областях, учитывается влияние водорода и водородных соединений па кинетику процессов;

- на основе анализа экспериментальных результатов, полученных в работе, выявлен вклад эффекта неравновесной генерации вакансий и междоузельньк атомов на протекание зарядовых процессов в подзатворном диэлектрике КМОП структур при "глубоком" облучении;

- показана эквивалентность воздействия на" МОП структуры гамма-излучения и быстрых электронов с энергией порядка нескольких МэВ при сравнительно небольших интегральных потоках, а также разработан теоретический метод расчета коэффициента эквивалентности гамма-облучения и облучения быстрыми заряженными частицами, определяемого как поток частиц, соответствующий поглощенной дозе в 1 Гр; в данном методе помимо физических характеристик быстрых заряженных частиц учитываются также конструктивно -технологические особенности облучаемых структур;

- на основе анализа результатов исследования зарядовых неоднородностей на пластинах КМОП ИМС показана возможность выявления с помощью тестового электронного облучения небольшим потоком и последующего термического отжига структур, содержащих скрытые дефекты, приводящие к снижению надежности ИМС, на основе чего разработана методика радиационной отбраковки потенциально ненадежных КМОП ИМС серии 564;

- показано, что вблизи краев пластины расположено наибольшее количество структур, содержащих скрытые дефекты, причем такие структуры могут выявляться как на операции облучения, так и при отжиге, а аномальное изме-

. нение электрофизических параметров таких структур, в основном, обусловлено эффективным встраиванием дополнительного положительного заряда диэлектрика;

- разработаны оптимальные режимы операций РТП для управления электрофизическими параметрами КМОП ИМС серии Б747 с использованием "глубокого" облучения КМОП структур высокоэнергетичными электронами.

Практическая полезность работы.

1) Показана эффективность и воспроизводимость способа "глубокого" облучения высокоэнергетичными электронами для управления пороговыми напряжениями и крутизной п- и р-канальных транзисторов КМОП ИМС серии Б747.

2) Разработаны оптимальные режимы операций РТП для эффективного управления пороговыми напряжениями и крутизной транзисторов из состава КМОП ИМС ссрии Б747 с молибденовой затворной системой, используемых в

аппаратуре космических объектов. В качестве отжига рекомендовано использовать последнюю технологическую операцию нанесения защитного слоя.

3) Разработана методика радиационной отбраковки потенциально ненадежных КМОП ИМС серии 564, применение которой позволт выявить до 5 % от всей партии структур со скрытыми дефектами.

4) Разработана методика расчета коэффициента эквивалентности гамма-облучения и облучения быстрыми заряженными частицами ПП и ИМС, учитывающая конструктивно-технологические особенности облучаемых приборов И физические характеристики бомбардирующих частиц.

5) Разработана методика оценки влияния исходной концентрации ловушек и эффекта неравновесной генерации вакансий и междоузельных атомов на кинетику зарядовых процессов в подзатворном диэлектрике при "глубоком" облучении, позволяющая повысить достоверность результатов численного моде- , лирования радиационных процессов в МОП и КМОП структурах и снизить' объемы экспериментальных исследований.

6) Разработан метод контроля зарядовых неоднородностей в реальных КМОП структурах, основанный на измерениях подпороговых ВАХ тестовых структур на пластинах в условиях производства.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

1) Результаты исследования кинетики зарядовых процессов, протекающих в подзатворном диэлектрике и на границе раздела полупроводник-диэлектрик МОП и КМОП структур при радиационном облученни и термическом отжиге.

2) Результаты сравнительного исследования физических процессов, протекающих в МОП и КМОП структурах при воздействии различных видов ИИ.

3) Результаты исследования зарядовых неоднородностей на пластинах КМОП ИМС серии 564 при электронном облученни и термическом отжиге.

4) Результаты использования РТП для управления электрофизическими параметрами КМОП ИМС серии Б747, а также оптимальные режимы операций РТП.

5) Методика радиационной отбраковки КМОП ИМС серии 564, содержащих скрытые дефекты. *

6) Теоретические модели зарядовых процессов, протекающих при об луч о-нии и отжиге в подзатворном диэлектрике и на границе кремний-диэлектрик.

7) Методика оценки влияния эффекта смещения атомов на кинетику зарядовых процееов в подзатворном диэлектрике.

8) Методика расчета коэффициента эквивалентности воздействия на реальные 1ТП и ИМС гамма-облучепия и облучения быстрыми заряженными частицами.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 4 Межотраслевой научно-технической конференции "Надежность и контроль качества изделий электронной техники" (Звенигород, 8-17 июня 1993г.), на Межрегиональной научно-технической конференции "Комплексное математическое и физическое моделирование, обеспечение надежности электронных приборов и аппаратуры" (Бердянск, 5-10 сентября 1994 г.), на ежегодном научно-техническом семинаре "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах (метрологии, диагностика, технология)" (Москва,28 ноября - 1 декабря 1994г., 27-30 ноября 1995 г.), на научно-техническом семинаре "Микроэлектроника для атомной энергетики" (Москва, 13-14 ноября 1995 г.), на Научных чтениях по военной космонавтике памяти акадеч.жа М.К.Тихонравова (Калининград, 13 16 мая 1996 г.), на VI межотраслевой научно-технической конференции "Воздействие ионизирующих излучений на РЭА, се элементы и материалы. Методы испытаний и исследований" (Лыткаршю, 4-6 игош 1996 г.).

Публикации. По материалам диссертации в различных изданиях опубликовано 12 работ. .

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и двух приложений с общим обьемом 188 страниц, включая 51 рисунок, 8 таблиц и список используемой литературы из 74 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ'. "•'■'■•

Во введении обоснована актуальность темы исследований, сформулирована цель и задачи диссертационной работы, отмечена научная новизна и практическая полезность работы, изложены основные положения, выносимые на защиту. -

В первом разделе на основе анализа опубликованных отечественных и зарубежных работ изложены современные представления о строении структуры кремний-диоксид кремния. Особое внимание уделяется .-описанию различных структурных дефектов, оказывающих сильное влиянце на свойства структуры кремний-диоксид кремния, важную роль'среди которых играют точечные электрически активные дефекты типа Е'-центров в объеме Si02 и Рь-ценгров на границе Si-Si02. Во многих работах указывается, что основным элементом Е'-

центра является комплекс типа OjaSi". В различных формах S¡0; различают более 10 видов соединений, подобных Е'-центру, которые различаются наличием или отсутствием дополнительных комплексов типа O^Si4 или наличном дополнительных прнмсссй, главным образом О иди Н. В целом, большинство дефектов в S¡02 являются донороподобными центрами. Считается, чго за положительный заряд в lSÍOj п основном отвечают дефекты типа "трехвалентного" кремния (Е'-центры) и междоузельный кислород. Основную роль среди дефектов на границе раздела Si-SiOj играют Рь-центры, которые могут быть представлены как атом кремния на границе, связанный с тремя другими атомами кремния и имеющий оборванную орбиталь. На поверхности кремния (111) эта оборванная орбиталь ориентирована перпендикулярно границе, на поверхности (110) - вдоль направлений [111]. Наиболее сложную структуру Рь-центры имеют на поверхности кремния (100), обычно используемой при создании МОП-структур. Здесь рассматривается два вида Рь-центров, оборванная орбиталь которых ориентирована вдоль направлений [111]. Первый вид - Рьо-нентр, представляющий собой соединение типа "SisSij. Второй вид - РЬ1-ценгр, представляющий собой частично окисленное соединение "SisSbO. На Рь-центры

»

приходится примерно половина всей плотности поверхностных состояний. Остальные ловушки возможно представляют собой напряженные связи, углы и длины которых отличаются от присущих неповрежденному кремнию.

Помимо описанных точечных дефектов на свойства структуры кремний-диоксид кремния большое влияние оказывают содержащиеся в ней водород и водородные соединения. Водород может попасть в Si02 либо непосредственно в процессе окисления, либо вследствие диффузии из кремниевой подложки.

Резкое различие свойств и строения материалов, образующих структуру Si-Si02, обуславливает возникновение между ними переходного слоя с переменным химическим составом. Из-за несоответствия теплофнзических свойств (коэффициента термического расширения), а также кристаллофнзических параметров Si и Si02 в структуре возникают механические напряжет'.; приграничные слои Si и Si02 испытывают соответственно напряжения растяжения и сжатия.

Во втором разделе проведен анализ основных процессов, происходящих в структуре Si—SiOj при радиационном облучении i термическом oraoire. При радиационном облучении в структуре кремний - диоксид кремния протекают следующие процессы: и результате разрыва напряженных связей при облучении имеет место релаксация механических напряжений на границе Si-Si02; в

диэлектрике в результате взаимодействия дырок, протонов и атомарного водорода с напряженными связями, а также соединениями типа Бь-Н и 81-ОН, накапливается дополнительный положительный заряд; на границе раздела вследствие этих же процессов идет генерация поврхносшых состояний; в приграничной области и объеме кремниевой подложки образуются электрически активные "глубокие" центры. Отжиг зарядов, накопленных при облучении в диэлектрике и на границе кремний-диэлектрик, как правило, происходит в интервале температур 473-600 К. В то же время, в кремниевой подложке центры с глубокими уровнями в запрещенной зоне оггжигаются полностью в интервале температур до 750-1000 К. Кроме того, для стабилизации свойств границы ра> дела часто применяется отжиг в атмосфере водорода, однако, как указывается во многих работах, это дает лишь временную стабилизацию свойств границы. В общем случае, изменение при облучении электрических характеристик приборов и микросхем на основе МДП-структур обусловлено как радиационными эффектами в подзатворном диэлектрике и на границе раздела полупроводник-диэлектрик, так и в приграничной области и объеме полупроводниковой подложки, что с учетом различия механизмов этих эффектов и их термостабильности создает хорошие предпосылки для полезного применения радиационно-термической обработки.

В третьем разделе описан метод исследования зарядовых эффектов в МОП И КМОП структурах с помощью сток-затаорных вольт-амнерных характери-■ стик (ВАХ) ь области слабой инверсии (подпороговых ВАХ). Кроме того приведено описание выбранных объектов исследования, методик проведения радиационной и термической обработок, методик и аппаратуры для экспериментальных исследований, алгоритмов расчета и анализа основных источников погрешностей при оценке электрофизических и электрических параметров облученных структур.

Метод подпороговых ВАХ достаточно часто применяется для исследования зарядовых эффектов в МОП и КМОП структурах. Достоинством этого ме-дода является сравнительная простота измерений. К недостаткам можно отнести то, что распределение плотности поверхностных состояний может быть исследовано только в сравнительно небольшой части запрещенной зоны кремния. В данной работе была усовершенствована методика рассчета величин плотности поверхностных состояний и заряда диэлектрика из измеренных подпороговых ВАХ: расчет плотности ПС N53 проводился непоерздетвенно по известной формуле

чг

1 Ср(ф.)

8'

(1)

где ф5 - поверхностный потенциал, С« - удельная емкость диэлектрика, С0 -дифференциальная емкость области пространственного заряда (ОПЗ) полупроводника, q- заряд электрона, - напряжение затвора. Производная в (1) вычислялась с помощью численного дифференциировання, проводимого на основе аппроксимации измеренной подпороговой ВАХ линейной зависимостью.

Для проведения экспериментальных исследований были выбраны следующие образцы.

1. МОП транзисторы КП301Б и 2П301А с каналом р-типа проводимости, подзатворным й)02 толщиной 0,26 мкм и молибденовым затвором. На границе диэлектрика с электродом затвора нанесен слой фосфоросиликатного стекла; (ФСС) толщиной 0,02-0,05 мкм.

2. Транзисторы 2П305А со встроенным п-каналом, алюминьевым затвором и диэлектриком, состоящим из нитрида кремния толщиной 0,24-0,26 мкм с подслоем 8Ю2 толщиной порядка 10 нм.

3. КМОП микросхемы серии 564ЛА9 на пластинах. Подзатворный диэлектрик получен термическим окислением в сухом кислороде при температуре 1325 К. Толщина его составляет 100 нм. Транзистор с каналом п-типа изготовлен в р-кармане, полученным ионной имплантацией бора с последующей диффузионной разгонкой.

4. КМОП БИС серии Б747 в которых затворы выполнены из молибдена, а подзатворный диэлектрик состоит из БЮг толщиной порядка 60-70 нм и нанесенного на него слоя ФСС толщиной порядка 20 нм.

Облучение быстрыми электронами с энергией 6 МэВ проводилось на ускорителе электронов ЭЛУ-6 Интегральными потоками Ю10 - 8 10" см'1. Температура образцов при облучении но превышала 310 К, а пр т "сверхглубоком" облучений интегральными потоками более 101в см"5 и плотностью потока порядка 3 10|г см~гс"' температура образцов доходила до 430-450 К.

Облучешь . гамма-квантами Со-60 проводилось на установке МРХ-^-ЮО дозами до 104 Гр. Облучение гамма-квантами 1г—192 проводилось с помощью источника, изготовленного в форме цилиндра диаметром 8 мм и высотой 10 мм. Партии облучаемых приборов помещались на различных расстояниях от источника, в результат» поглощенные дозы для разных партий менялись в интервале 7 101 - 6 105 Гр.

Термический отжиг облученных структур проводился в атмосфере воздуха в пассивном режиме при различных температурах в интервале 393-573 К. Температура отжига поддерживалась с точностью до 10 К. Отжиг пластин КМОП БИС серии Б747 проводился в установке "Изотрон-2" в атмосфере азота при температуре 673 К. Точность поддержания температуры в установке "Изотрон-2" составляет 5 К.

При исследовании зарядовых эффектов в МОП и КМОП структурах при облучении и отжиге применялся метод поднорогоаых DAX. Измерение подпо-роговых ВАХ проводилось на установке полуавтоматического типа с цепью обратной связи, обеспечивающей протекание заданного уровня тока стока в диапазоне Ю-10- КГ5 А при постоянном напряжении на стоке.

Для контроля изменения удельного сопротивления полупроводниковой подложки при облучении проводилось его измерение четырехзондовым методом не обратной стороне пластины.

При исследовании зарядовых неоднородностсй на пластинах KMOII ИМС после каждой дозы облучения проводилось измерение подпороговых ВАХ на тестовых структурах, расположенных вдоль диаметра пластины. В результате можно получить распределения заряда диэлектрика и плотности ПС по пластине с шагом, определяемым размером кристалла ИМС (в данном случае он составлял порядка 1,6 мм). Данный метод значительно проще распространенных в настоящее время методов исследования зарядовых неоднородностей, в частности, лазерного сканирования по структуре с полупрозрачным затвором, так как в этом случае проводятся только достаточно простые измерения на серийно выпускаемых структурах. К недостаткам метода можно отнести то, что дискретность значений при получении распределений заряда диэлектрика и плотности ПС по пластине определяется размером кристалла ИМС.

Обработка экспериментальных результатов и расчеты электрофизических параметров МОП и КМОП структур проводилось на ЭВМ типа IBM PC/AT.

При проведении иследований особое внимание уделялось анализу источников погрешностей. Установлено, что в методике подпороговых ВАХ точность определения плотности ПС зависит в основном от погрешности измерения толщины подзатворного диэлектрика и концентрации электрически активных центров (легирующей примеси) в полупроводниковой подложке и не превышает величину 1010 см 2эВ"'. Точность определения заряда диэлектрика не превышает 10"' Кл/см2. -

В четвертом разделе приведены результат экспериментальных исследований кинетики зарядовых процессов в МОП и КМОП структурах, исследований зарядовых неодиородностей в КМОП структурах при облучении и отжиге, разработки оптимальных режимов операции РТП для управления параметрами КМОП БИС и разработ ки операций облучения и отжига для радиационной отбраковки потенциально ненадежных. КМОП структу р.

При исследовании кинетики зарядовых процесов в р-каиальных транзисторах типа КП301Б и 211301А при электронном и гамма-облучении было обнаружено, что с ростом дозы (интегрального потока) облучения наблюдается рост величин заряда диэлектрика и плотности ПС, чго приводит к увеличению пороговых напряжений транзисторов. При малых дозах (потоках) облучения в основном преобладает процесс накопления положительного заряда диэлектрика. Рост плотности ПС начинает заметно сказываться только при дозах 0>Ю5 Гр (Фе>10п см"2). Исходные значения пороговых напряжений для данных транзисторов составляли порядка 2,5 В. После облучения дозой 10* Гр (Фе~1013 см"2) пороговые напряжения возросли до величин порядка 10-13 В, что говорит о высокой чувствительности данных приборов к воздействию ионизирующих излучений. Заряд диэлектрика возрос от исходных значений порядка (3-4) 10"9 Кл'см3 до величины порядка (4-6) 1(Г3 Кл'см2 после завершения цикла облучения. Плотность Г1С при этом возрастает от исходных значений (1-6) Ю10 см 2эВ"' до 5 10й - ¡О'2 см"ЪВ~'. Анализ заш. имостей порогового напряжения, заряда диэлектрика и плотности Г1С от дозы (потока) облучения показал, что рост этих величин с увеличением дозы носит экспоненциальный характер. Кроме того были выявлены приборы с аномальной радиационной чувствительностью, которая, как показали исследования, в основном обус-лаЕ ивается более эффективным ростом плотности ПС.

При исследовании п-канальных транзисторов 2П305А бьив! выявлены те же закономерности: рост заряда диэлектрика и увеличение плотности ПС. Но в целом радиационная стойкость данных приборов оказывается выше, так как в данном случае имеют место конкурирующие процессы накопления положительного заряда диэлектрика и увеличения отрицательного заряда Г1С. Величины заряда диэлектрика и. плотности ПС для данных приборов оказались примерно на порядок выше чем в транзисторах типа КГО01Б.

Анализ указанных выше дозовых зависимостей для транзисторов КП301Б, 2П301А й 2П305Апри электронном и гамма-облучении позволил сделать вывод о схожести зарядовых процессов при указанных видах облучения в иссле-

дуемом диапазоне доз (до 104 Гр), что также подтверждают данные, полученные при последовательном облучении исследуемых приборов электронами И гамма-квантами. На основе проведенных исследований для данных типов приборов был рассчитан коэффициент эквивалентности гамма-и электронного облучений, определяемый как поток электронов, соответствующий дозе в 1 Гр, величина которого составила 3,5 10' см"2.

При исследовании радиационных эффектов в КМОП ИМС серии 564ЛА9 были обнаружены указанные выше закономерности. Пороговые напряжения тестовых транзисторов возрастают от исходных значений 2-2,5 В для р-канальных транзисторов и 1,5-2 В для п-канальных до величин, соответственно, 11-12 В и 5,5-6 В после облучения интегральным потоком 1016 см'2. Заряд диэлектрика накапливается приблизительно одинаково как в р-, так и в п-канальных транзисторах: ог (1-2) 'КГ8 до (2-2,4)'КГ7 Кл'см2. Плотность ПС возрастает эффективнее в п-канальных транзисторах: от 2 10" до (4,8-5) 1012 см"2эВ"\ что может быть обусловлено большей разупорядоченностью границы раздела кремний-диэлектрик в п-канальных структурах.

При "сверхглубоком" облучении пластин КМОП ИМС 564ЛА9 потоком 8 1016 см"2 наблюдается некоторое снижение пороговых напряжений, а также заряда диэлектрика и плотности ПС, что может быть вызвано, во-первых, уменьшением концентрации основных носителей заряда в кремниевой подложке, в во-вторых, частичным отжигом, имеющим место из-за нагрева пластин до температур порядка 450 К при облучении электронами с плотностью потока порядка 3 1012 см"2с~'. Контроль удельного сопротивления на обратной стороне пластины показал, что при "сверхглубоком" облучении удельное сопротивление подложки возрастает примерно в 3,3 раза, что соответствует росту концентрации радиационных центров до величины порядка 7 10" ем"3.

Исследования зарядовых нсоднородностей на пластинах КМОП ИМС 564ЛА9 показали, что в исходном состоянии исследуемые структуры характеризуются сравнительно небольшим разбросом заряда диэлектрика и плотности ПС по пластине, что приводит к сравнительно небольшому разбросу величин пороговых напряжений транзисторов. С ростом интегрального потока электронов этот разброс увеличивается, кроме того выявляются структуры с аномальной радиационной чувствительностью, которая в основном обуславливается высокой интенсивностью накопления заряда диэлектрика. Наибольший разброс указанные величины имеют вблизи краев пластаны. При "сверхглубоком" о&-лучении наблюдается небольшое уменьшение пороговых напряжений, заряда

диэлектрика и плотности ПС, однако разброс этих величин несколько возрастает, особенно вблизи краев пластины.

При исследовании кинетики отжиг а транзисторов типа КП301Б был выявлен экспоненциальный характер релаксации величин заряда диэлектрика и плотности ПС, что ведет к экспоненциальному спаду пороговых напряжений. Постоянная времени спада этих величин уменьшается с ростом температуры. Значения, до которых релахсируют эарящ диэлектрика, плотность ПС и пороговые напряжения при длительном отжиге, также уменьшаются с ростом температуры. Полный отжиг радиационных дефектов в диэлектрике и на границе кремний-диэлектрик происходит при температурах порядка 523-573 К. Отжиг зарядов, накопленных при облучении КМОП ИМС 564ЛА9, идет гораздо эффективнее. Кроме того, при длительном отжиге при температуре порядка 473573 К возможно некоторое увеличение заряда диэлектрика и плотности ПС, что может быть следствием влияния водорода и водородных соединений, содержащихся в структуре Зт-БЮг, на кинетику протекания процесса. Также было обнаружено, что на этапе отжига возможно выявление структур со скрытыми дефектами. Большинство таких структур расположено вблизи краев пластины, а аномальное изменение их параметров в основном определяется резким ростом заряда диэлектрика.

На основе результатов по исследованию зарядовых неоднородностей была разработана методика выявления структур КМОП ИМС 564 **\9, содержащих скрытые дефекты. Данная методика состоит из операций тестового облучения исследуемых пластин небольшим интегральным потоком электронов, измерения и статистической обработки значений информативных параметров (пороговых напряжений), позволяющей идентифицировать аномально чувстви-тел" чые структуры, и последующего термического отжига для возвращения облученных структур в исходное состояние. Б результате исследований было получено, что максимальное количество потенциально ненадежных структур выявляется при облучении интегральными потоками электронов, выбираемыми в интервале 1011-1015 см'2. Отжиг рекомендуется проводить при температуре 473 К в течение 40 минут. Количество потенциально ненадежных структур, выявляемых с помощью данной методики, составляет 3-5 % от всей исследуемой партии.

При разработке оптимальных режимов операций РТП для управления электрофизическими параметрами транзисторов из состава КМОП БИС серии Б747 за основу был взят принцип проведения "глубокого" облучения. Иесле-

дуемые пластины КМОП БИО облучались интегральным потоком электронов 2 '10й см'2. На основе исследования различных вариантов проведения операции облучения и отжига было получено, что наибольший эффект от проведения РТП достигается в случае проведения облучения перед последней технологической операцией изготовления данных образцов - нанесением защитного слоя в установке "Изотрон-2" при температуре 703 К в течение 1 ч в атмосфере азот+моиосилан+кислород. В данном случае операция нанесения защитного слоя иамим i своего прямого назначения используется также для отжига радиационных дефектов, внесенных при облучении пластин. Проведение РТП в указанных режимах позволило снизить пороговые напряжения р- и п-канальных транзисторов от 3,45 и 2 В до 1,36 и 1,01 В соответственно. Крутизна сток-затворной характеристики р- и n-канальных транзисторов после проведения РТП возросла от 120 и 680 мкА/В до 705 и 1450 мкА/В соответственно. При этом напряжение смыкания транзисторов практически не изменилось. Уменьшение пороговых напряжений и рост крутизны могут быть объяснены влиянием радиационных эффектов в приповерхностном слое кремниевой подложки, а также в объеме кремния. Уменьшение концентрации основных носителей заряда в кремнии приводит к облегчению открытия канала, что в свою очередь ведет, во-первых, к уменьшению пороговых напряжений транзисторов, а во-вторых, к увелйчеНию крутизны, так как канал при неизменном электрическом режиме измерения крутизны будет более открытым. Кроме того, в процессе проведения РТП возможно снижение флуктуаций поверхностного потенциала, что приводит к некоторому росту подвижности носителей заряда в канале транзистора, а это в свою очередь ведет к увеличению крутизны.

В пятом разделе разработаны модели зарядовых процессов, протекающих в структуре Si—Si02 при облучении и отжиге.

При облучении в объеме диэлектрика генерируются электронно-дырочные пары, а также высвобождаются протоны и атомарный водород. Часть электронно-дырочных пар рекомбинирует. Оставшиеся электроны быстро покидают диэлектрик. Свободные дырки, протоны и атомарный водород могут участвовать в следующих процессах, приводящих к росту концентрации дефектов типа "трехвалентного" кремния: разрыв напряженных связей (НС) при их взаимодействии с дырками и протонами, разрыв соединений SiOH при их взаимодействии с дырками, разрыв соединений SiH при их взаимодействии с дырками и атомарным водородом. Процессы с участием соединений SiOH и SiH наиболее вероятны вблизи границы раздела кремний - диоксид кремния, так как в

згой области будсг наибольшая концентрация этих соединений. Решения уравнений, описывающих данные процессы, имеют вид

ЛКЧ(1)= А-^-е-^], (2)

где АН 1 - увеличение концентрации дефектов вследствие 1-го процесса. Величина А определяет коьцешрзцшо дефектов при выходе ее на насыщение и зависит ог исходной концентрации напряженных связей, а также соединений ЙЮН и Величина Ь определяется скоростями протекания процессов, а также концентрациями дырок, протонов и атомарного водорода. Суммарное изменение плотности дефектов тгри облучении будет определяться суперпозицией вкладов от описанных выше процессов. Кроме этого был разработан метод для сценки влияния эффекюн смещения атомов на протекание зарядовЫх'нроцес-сов при облучении, которые необходимо учитывать для более точного моделирования в случае облучения большими интетралышми потоками электронов.

При моделировании зарядовых процессов, протекающих в структуре ЬЮ2 при отжиге, рассматривались следующие процессы: туннелирование электронов из кремниевой подложки в диэлектрик и захват их на положительно заряженные ловушки, эмиссия захваченных носителей заряда с ловушек, термогенерация электронно-дырочных пар и захват образующихся электронов и дырок на положительно заряженные и нейтральные ловшкн. В результате было получено, что концентрация положительно заряженных ловушек при отжиге экспоненциально спадает, что хорошо согласуется с полученными экспериментальными донными. При моделировании процессов отжига зарядов, накопленных на границе раздела йь^Юг учитывалось влияние водорода, содержащегося в диэлектрике и приповерхностном слое полупроводника; которое может привести к тому, что отжиг зарядов на границе Бг-вЮг будет проходить в два этапа: на первом этапе во время отжига идет пассивация комплексов "трехвалентного" кремния, в том числе и путем захвата атомов водорода, а на втором этапе - диссоциация нестабильных соединений Н при комнатной температуре, что ведет к некоторому увеличению концентрации "трехвалентного" кремния и рооту плотност и ПС и заряда диэлектрика.

Кроме этого была разработана методика теоретического расчета неличины коэффициента эквивалентности воздействия I» реальные полупроводниковые структуры гамма-облучения и облучения быстрыми заряженными частицами, учитывающая физические характеристики бомбардирующих частиц и особенности строения облучаемых структур. .

В заключении сформулированы основные выводы по работе.

1) В результате исследования кинетики зарядовых процессов в подзатвор-ном диэлектрике и на границе раздела кремний - диэлектрик в МОП транзисторах типа КП301Б, 2П301А, 2П305А и КМОИ ИМС серии 564 выявлена качественно общая закономерность - при радиационной обработке исследуемых структур одновременно проявляются эффекты накопления положительного заряда в иодзатворном диэлектрике, роста плотности ПС на границе кремний-диэлектрик т образования радиационных центров в кремниевой подложке. При малых дозах гамма-облучения менее 105 Гр и интегральных потоках электронов менее 10" см"2 в основном проявляются радиационные эффекты в объеме диэлектрика, а при больших дозах (потоках) начинает заметно сказываться влияние процессов увеличения плотности ПС на границе раздела кремний-диэлектрик. Радиационные эффекты в кремниевой подложке заметно проявляются при "глубоком" облучении интегральными потоками электронов свыше 1016см'2.

2) Показано, что п-канальные транзисторы оказываются более радиацион-но-стойкими, чем р-канальные, так как в этом случае имеют место конкурирующие процессы накопления положительного заряда диэлектрика и отрицательного заряда ПС, в результате чего пороговые напряжения тестовых п-канальных транзисторов при облучении изменяются не столь значительно.

3) При облучении МОП-транзисторов гамма-квантами и электронами с энергией 6 МэВ потоками порядка 1013 см'2 воздействия этих видов ионизирующих излучений эквивалентны, причем коэффициент эквивалентности электронного и гамма-облучений, рассчитанный по одинаковому изменению порогового напряжения (напряжения отсечки) транзисторов 2П301А и 2П305А при электронном и гамма-облучении, составил 3,5 10' см"2 (поток электронов, соответствующий дозе гамма-квантов в 1 Гр).

4) При облучении исследуемых структур выявляются приборы со скрытыми дефектами, обладающие повышенной чувствительностью к воздействию ионизирующих Излучений, В случае дискретаых транзисторов типа КП301Б аномальный рост порогового напряжения, в основном, определяется процессами на границе раздела Б^-ЯКХз и проявляется при дозах 10-103 Гр для гамма-облучения и интегральных потоках 101,-10исм"'1 для электронного облучения. В случае тестовых транзисторов на пластинах КМОП ИМС 564ЛА9 такие структуры выявляются при облучении интегральными потоками электронов свыше 10м см"2, и аномальные изменения порогового напряжения в них, в

основном, вызываются повышенным ростом заряда диэлектрика, что указывает на более высокое качество границы раздела кремний-диэлектрик в случае КМОП ИМС 564ЛЛ9.

5) При облучении пластин КМОП ИМС 564ЛА9 заряд в диэлектрике р- и п-канальных транзисторов накапливается приблизительно одинаково, тогда как плотность ПС эффективнее возрастает в г.-канальных транзисторах, что может быть обусловлено большей степенью разунорядоченности границы раздела кремний -диэлектрик в данных структурах.

6) При "сверхглубоком" облучении пластин КМОП ИМС 564ЛА9 интегральным потоком электронов 8 10" ем""2 происходит некоторое уменьшение пороговых напряжений транзисторов, а также заряда диэлектрика и плотности НС. Это может быть вызвано, во-первых, уменьшением концентрации основных носителей заряда в кремниевой подложке, которое начинает замелю проявляться при облучении такими потоками, а во-вторых, частичным отжигом,

■ имеющим место из-за нагрева пластин до 423 - 453 К при облучении электронами с энергией 6 МэВ плотностью потока 3 10" см~2с~'.

7) При сверхглубоком облучении пластин КМОП ИМС серии 564 интегральным потоком электронов 8 1016 см"2 концентрация радиационных центров в кремниевой подложке возрастает.примерно до 7 10й см"3, что приводит к росту удельного сопротивления примерно в 3,3 раза.

8) Разработана методика исследования зарядовых нес,.нородностей на пластинах реальных КМОП структур, применение которой позволило проанализировать изменение распределений заряда диэлектрика и плотности ПС по пластинам КМОП ИМС серии 564 при облучении и отжиге.

9) При исследовании зарядовых неоднородностей на пластинах КМОП ИМ" серии 564 было получено, что с ростом интегрального потока электронов разброс величин заряда диэлектрика, плотности ПС и пороговых напряжений увеличивается, причем наиболее ярко это выражено вблизи края пластины. При "сверхглубоком" облучении наблюдается небольшое снижение пороговых напряжений, заряда диэлектрика и плотности ПС, однако, разброс этих величин по пластине возрастает, особенно вблизи ее края.

10) При отжиге МОП транзисторов типа КП301Б наблюдается экспоненциальное уменьшение величин заряда диэлектика и плотности ПС, что ведет к экспоненциальному спаду пороговых напряжений транзисторов. Постоянная времени спада этих величин уменьшается с ростом температуры. Величины уровней, на которые выходят заряд диэлектрика и плотность ПС при длнтель-

пом отжиге, также уменьшаются с ростом температуры. Полный отжиг радиационных дефектов в диэлектрике и на границе кремний диэлектрик в данных структурах происходит при температурах порядка 523 - 573 К.

11 ) В случае KMOII ИМС серии 564 отжиг зарядов, накопленных при облучении, идет гораздо эффективнее, чем в транзисторах типа КП301Б. При длительном отжиге данных структур при температуре порядка 473 - 573 1С возможно некоторое увеличение заряда диэлектрика и плотности ПС, прнче это наиболее вероятно в случае структур, расположенных вблизи краев пластины. Причем на этапе отжига, как и при облучении, могуг быть выявлены структуры со скрытыми дефектами.

12) Разработана методика радиационной отбраковки потенциально ненадежных KMOII ЬМС серии 564, применение которой позволш выявить до 5 % or всей партии структур со скрытыми дефектами.

13) Показана эффективность применения и определены оптимальные режимы операций РТП применительно к КМОП ИМС серии Б747 с целью управления нк электрофизическими параметрами. Применение РТП позволило снизить пороговые напряжения р- и п-канальных транзисторов от 3,45 и 2 В до 1,36 и 1,01 В соответственно. Крутизна сток-затворной характеристики р- и п-канальных транзисторов после проведения PTII возросла от 120 и 680 мкЛ/В до 705 и 1450 мкА/В соответственно. Напряжение смыкания транзисторов при этом практически не изменилось.

14) Разработаны теоретические модели, описывающие кинетику зарядовых процессов в МОП и КМОП структурах яри облучении и отжиге. Данные модели учитывают влияние водорода и водородных соединений на кинетику процессов.

15) Предложен метод оценки влияния эффекта неравновесной генерации вакансий и междоузельных атомов на накопление заряда в диэлектрике МОП структур при "глубоком" облучении.

16) Разработана методика теоретическою расчета коэффициента эквивалентности воздействия на реальные ПП и ИМС гамма-облучения и облучения быстрыми заряженными частицами, учитывающая физические характеристики бомбардирующих частиц и особенности' строения облучаемых структур.

Основные результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях:

1. Ладыгин Е.А., Галсев А.П., Таперо К.И. Анализ зарядовой нестабильности в МДП-структурах методом подпороговых BÀX // Материалы докладов

н.-т. семинара "Шумовые и дсградациошше процессы в полупроводниковых приборах", - М.: МНТОРЭС им. A.C. Попова, 1995.

2. Ладыгин Е.А., Галееи А.П., Таперо К.И. Исследование кинетики отжига р-канальных МОП-транзисторов, облученных быстрыми электронами // Маге-риалы докладов н.-т. семинсра "йдумовые и деградацнонные процессы в полупроводниковых приборах", - М.: МНТОРЭС им. A.C. Попова, 1996.

3. Курунова Т.Ю., Ладыгин А.П., Таперо К.И., Осипов Г.А. Модель генерации поверхностных состояний в МОП-структурах при воздействии ионизирующих излучений // Материалы докладов н.-т. семинара "Шумовые и денудационные процессы в полупроводниковых приборах", ~ М.: МПТОРЭС им. A.C. Попова, 1995.

4. Ладыгин Е.А., Галеев А.П., Таперо К.И., Курунова Т.Ю. Оценка эквивалентности воздействия гамма- и электронного излучений на полупроводниковые структуры // Материалы докладов н.-т. семинара "Шумовые и деградацнонные процессы в полупроводниковых приборах", - М.: МПТОРЭС им. A.C. Попова, 1995.

5. Ладыгин Е.А., Мурашов D.H., Таперо К.И. Расчет кинетики радиационного накопления заряда диэлектрика в структурах металл-диэлектрик -полупроводник // Топология. Алгебра. Информатика. Материалы исследований молодых ученых математических кафедр МПГУ им. 13.И, Ленина. - М.: нзд- но МПГУ им. D.H. Ленина, 1994.

6. Ладыгин Е.А., Горюнов H.H., Галеев А.П., Танеро К.И. Исследование зарядовых эффектов в МДП-транзисторах при облучении методом ноднорого-вых ВАХ // Петербургский журнал электроники, № 1,1996.

7. Курунова Т.Ю., Таперо К.П., Осипов Г.А., Ладыгин Е.А. Роль процессов смещения атомов и генерации поверхностных состояний в МОП БИС при воздействии ионизирующих излучений космического пространства // Сборник материалов первых научных чтений но военной космонавтике памяти М.К. Тихо-нравова,- Калининград: МО РФ, 1996.

8. Ладыгин Е.А., Галеев А.П., Таперо К.И., Осипов Г.А., Курунова Т.Ю. Эквивалентность воздействия гамма и электронного излучений на полупроводниковые структуры ИЭТ d Сборник материалов первых научных чтений по военной космонавтике памяти М.К, Тихонравова,- Калининград: МО РФ, 1996.

9. Таперо К.И. Влияние эффекта смещения атомов на формирование зарядов в КМДП-структурах при облучении // Вопросы атомной науки и техники, №4, 1996.

10. Ладыгин Е.А., Таиеро К.И., Осипов Г.А., Мусалипш А.М., Паничкин A.B. Экспериментальная оценка вклада физических процессов в подзатаорном диэлектрике, на границе раздела кремний-диэлектрик и в приповерхностном слое кремния в радиационную стойкость КМОП БИС // Вопросы атомной науки и техники, № 4, 1996.

11. Ладыгин Е.А., Tan :ро 1С.И., Мусалитнн А.М., Паничкин A.B. Исследование B/Jlí¡"Mlf ' 1 ''ICI ' ' ; ! .и о об ¡учения на параметры КМДП-структур // Вопросы агом"ой науки н техники, .Na 4,1996.

12. Ладыгин ЕА, Бражник В.А., Осипов Г.А., Мусалитнн A.M., Таперо К.И., Паничкин A.B. Управление параметрами цифровых КМОП БИС космической аппаратуры методом радиационной технологии // Вопросы атомной науки и техники, № 4,1996.

/

Тип. МИСнС, Заказ ¿¡q Тираж 100 экз.