Influence of Ionizing Radiation on the Properties of Buried Oxide SOI Structures

Mustafaev Arslan Gasanovich Doctor of Technical Science Professor of the Department "Information technologies and information security" of the Dagestan State University of National Economy 367015, Russia, respublika Dagestan, g. Makhachkala, ul. Ataeva, 5, kab. 4.5 arslan_mustafaev@hotmail.com Other publications by this author     Mustafaev Gasan Abakarovich Doctor of Technical Science Professor, Department of Computer Technologies and Integrated Circuits, Kabardino-Balkarian State University 360004, Russia, respublika Kabardino-Balkarskaya, g. Nal'chik, ul. Chernyshevskogo, 173, kab. 122 arslan_mustafaev@hotmail.com Other publications by this author

Cherkesova Natal'ya Vasil'evna PhD in Technical Science Associate Professor at Kabardino-Balkarian State University 360004, Russia, the Kabardino-Balkar Republic, Nalchik, ul. Chernyshevskogo, 173, of. 122 natasha07_2002@mail.ru Other publications by this author

I. Введение

Полупроводниковые гетероструктуры лежат в основе конструкций современных транзисторов, приборов квантовой электроники, СВЧ-техники, электронной техники для систем связи, телекоммуникаций, вычислительных систем и светотехники ^[1-2]. Возможность изменять на границах гетероперехода ширину запрещённой зоны и диэлектрическую проницаемость позволяет с помощью гетероструктуры эффективно управлять движением носителей заряда, их рекомбинацией, а также световыми потоками внутри них ^[3-6]. Эти свойства гетероструктур и определяют область их применения. Одна из важных проблем современной микро- и наноэлектроники – это создание элементов схем с пониженной чувствительностью к воздействию радиации. В связи с этим проведены исследования влияния различных видов излучения на свойства гетероструктур ^[7-10].

Исследуемые гетероструктуры представлены. на рис. 1. В качестве металла был выбран алюминий.

Рис. 1. Исследуемые структуры

II. Эксперимент и результаты

Исследования показали, что двухслойные системы обеспечивают стабильность заряда даже в том случае, если каждый диэлектрик в отдельности зарядовой стабильностью не обладает. В качестве примера стабилизации можно рассмотреть сочетание диэлектриков оксид кремния-нитрид кремния (рис.1г), в котором нитрид кремния обладая электронной проводимостью, представляет собой барьер для примесных ионов в оксиде кремния. Нанесение слоя нитрида кремния поверх маскирующего слоя оксида улучшает рабочие характеристики структур. Основной эффект влияния слоя, нитрида кремния, на параметры структур заключается в уменьшении механических напряжений на границе оксид кремния-нитрид кремния.

В связи с увеличением требований к параметрам гетероструктур и приборов на их основе большой интерес представляется способам получения диэлектрика в присутствии галогенов, особенно хлора.

Введение в поток сухого кислорода небольших добавок хлора при окислении кремния приводит к существенному возрастанию времени жизни неосновных носителей ^[9,10]. Высокая стабильность таких структур на основе хлорных окислов связана со связыванием в нейтральные комплексы на основе хлора ионов щелочных металлов.

На рис. 2 представлена зависимость времени формирования инверсионного слоя гетероструктуры от процентного содержания хлора в кислороде.

На рис. 3 представлена зависимость термостабильности гетероструктур (изменения напряжения плоских зон) от состава окислительной среды.

Из полученных зависимостей следует, что с увеличением процентного содержания хлора в окислительной среде увеличивается время жизни и снижается скорость поверхностной генерации неосновных носителей, увеличивается термостабильность.

На рис. 4 представлены зависимости плотности поверхностных состояний в гетероструктуре от дозы для разных диэлектриков. Из рис. 4 видно, что с увеличением потока ионизирующих частиц, плотность объемного заряда в оксиде растет, достигая насыщения при потоке 10⁸- 10⁹ рад.

Исследование распределения заряда в диоксиде кремния, подвергнутой бомбардировке электронами с энергией 4 МэВ (поток 10¹⁴ см^-2), методом послойного травления показало, что весь положительный заряд сконцентрирован на расстоянии порядка 10 нм от поверхности раздела диэлектрик-полупроводник.

В гетероструктуре при облучении происходит накопление объемного положительного заряда, что приводит к сдвигу порогового напряжения и деградации параметров приборов в целом. Основным направлением остаются работы, связанные с созданием диэлектрика с пониженной чувствительностью к радиации.

Улучшение свойств диэлектрика проводят различными методами: ионной имплантацией, легированием, изменением технологических процессов выращивания и т.д. Показано, что легирование диэлектрика атомами фосфора, бора, хрома и алюминия уменьшает вероятность накопления положительного заряда за счет изменения числа и природы ловушек и тем самым способствует снижению чувствительности диэлектрика к радиации.

Рис. 2. Зависимость времени формирования инверсионного слоя в гетероструктуре от содержания хлора в процессе получения оксида кремния

Рис. 3. Сдвиг напряжения плоских зон гетероструктуры в зависимости от содержания хлора в процессе осаждения.

Как видно из рис. 5 величина заряда, накапливаемого в нитриде кремния при g- облучении, меньше, чем в диоксиде кремния. Основной эффект влияния слоя нитрида кремния на параметры полупроводниковых структур заключается в уменьшении механических напряжений на границе кремний-диоксид кремния.

Рис. 4. Зависимость плотности поверхностных состояний в гетероструктуре от дозы: 1- сухой SiO₂, 2- влажный SiO₂, 3- Si₃N₄

Рис. 5. Зависимость плотности заряда в пленках от дозы g-облучения

При облучении однослойных гетероструктур возникающие в них заряды не компенсируются ^[11], в двухслойных системах происходит уменьшение встроенного заряда, за счет компенсации положительного заряда в диоксид кремния, отрицательным зарядом, накопленным в нитриде кремния.

Зависимость плотности заряда от дозы при облучении структур в двухслойных системах, представлена на рис. 6. Как видно из рис. 6, в результате облучения величина заряда возрастает и при дозах превышающих 2×10⁷ рад, изменяется незначительно.

Это приводит к увеличению электрического поля у электрода с отрицательным потенциалом (катода), что улучшает эмиссионные свойства контактов металл-диэлектрик или полупроводник-диэлектрик.

Для дальнейшего улучшения параметров гетероструктур в качестве маскирующего оксида использовали оксид алюминия. Приборы с оксидом алюминия обладают более высокой радиационной стойкостью. В оксиде алюминия наряду с дырочными ловушками, имеются также ловушки для электронов, что обеспечивает одновременный захват обоих типов носителей. Так как сечение захвата электронов и дырок на соответствующих ловушках мало, по сравнению с сечением их рекомбинации, то при этом значительная часть образованных радиацией носителей рекомбинирует до их захвата, и накопление объемного заряда не происходит.

Относительное изменение плотности заряда в оксидных пленках алюминия в результате облучения показано на рис. 7. При облучении наблюдалось образование положительного заряда, что свидетельствует о преимущественном захвате дырок, имеющимися в оксиде ловушками. Захват ловушками электронов с одной стороны, компенсирует заряд захваченных дырок, а с другой, уменьшает ток через диэлектрик. Оксидные пленки алюминия практически не содержат ионы щелочных металлов Na+, обладают низкой плотностью поверхностных состояний и стабильны к образованию ионизирующей радиацией дефектов. Радиационная стойкость пленочных диэлектриков играет важную роль при проектировании многих типов приборов, работающих при повышенных уровнях ионизирующего излучения.

Регулируя скорость введения и характеристики радиационных центров при облучении, тип, метод выращивания и уровень легирования материалов, интегральный поток и плотность облучения, температура образцов при облучении возможно целенаправленно изменять электрофизические свойства гетероструктур и электрические параметры приборов и интегральных схем.

Рис. 6. Зависимость плотности заряда в диэлектрике Al- Si₃N₄- SiO₂- Si от дозы облучения

Рис. 7. Изменение плотности заряда в пленках Al₂O₃ от дозы облучения

Разработанные методы формирования радиационно-стойких гетероструктур, снижают образование заряда на границе раздела кремний-оксид кремния ^[12-14]. Сверхбольшие интегральные схемы, изготовленные по КНИ технологии по оптимизированной структуре, показывает хорошие результаты, даже при высоких дозах радиации. Устойчивость к накопленной дозе излучения повышается на три порядка.

Результаты исследования показывают, что:

- при воздействии ионизирующих излучений в диэлектрическом слое и на границе кремний - диэлектрик проявляются эффекты накопления положительного заряда в диэлектрике, роста плотности поверхностных состояний на границе кремний- диэлектрик. При интегральных потоках электронов менее 10¹² см^-2, в основном, проявляются радиационные эффекты в объеме диэлектрика, а при больших потоках начинает заметно сказываться влияние процессов увеличения плотности поверхностных состояний на границе раздела кремний- диэлектрик.

- стойкость пленок оксида алюминия Al₂O₃ к воздействию ионизирующих излучений обусловлена захватом на ловушки не только дырок, но и электронов. При малых дозах облучения преобладает влияние положительного заряда, а при насыщении положительных ловушек и дозах >10⁶ рад начинает влиять отрицательный заряд, скапливающийся в оксиде алюминия Al₂O₃. Чем тоньше окисел, тем сильнее влияние заряда в оксиде алюминия Al₂O₃ и тем большим оказывается изменение суммарного заряда в диэлектрике.

- с увеличением дозы ионизирующих частиц плотность заряда в диэлектрике растет, достигает насыщения при дозе 10⁸- 10⁹ рад, а величина встроенного заряда и механические напряжения в двухслойных диэлектрических системах снижаются за счет образования промежуточного заряда на границе раздела диэлектриков и наличием потенциального барьера между ними.

Оптимизация технологии и структуры элементов БИС с учетом воздействия ионизирующих излучений обеспечивает снижение влияния радиационных эффектов на параметры полупроводниковых структур и повышения радиационной стойкости.