Effect of ionizing radiation and hot electrons on MOS structures

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

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

Проведено исследование деградации структур метал-оксид-полупроводник (МОП) с нитрированием подзатворного оксида при воздействии горячих электронов и ионизирующего излучения. Были исследованы факторы, вызывающие деградацию и на которые нитрирование имеет разное влияние.

Термический оксид на кремниевой пластине диаметром 100 мм, р -типа (100) имел толщину около 10 нм. Оксид был термически нитрирован при температуре 900- 1200 °С в течение 10, 30 и 60с. МОП структуры были изготовлены с этой оксидной пленкой как подзатворным диэлектриком по стандартному поликремниевому процессу. Ионизирующее облучение проводилось рентгеновским излучением энергией 50 кэВ до дозы 0,5 Мрад по кремнию. Оценки изменения параметров после облучения проводились методом вольт-фарадных характеристик, снимавшихся в высокочастотном и квази­статическом режимах.

Результаты воздействия ионизирующего облучения на МОП структуры с термическим нитрированием при различной температуре и длительности нитрирования и без нитрирования показаны на рис.1. На рис. 1а показана зависимость изменения плотности межслойных состояний (ΔD_itm * 10¹¹ см^-2эВ^-1) вызванного облучением 0,5 Мрад при разных температурах и длительности нитрирования. Генерация межслойных состояний уменьшается как при увеличении температуры, так и при увеличении длительности нитрирования. Для сильно нитрированных образцов наблюдается изменение почти на порядок. Рис. 1б показывает изменение порогового напряжения ΔV в результате облучения, также для образцов, подвергавшихся нитрированию при разных температурах с разной длительностью. Как видно из рис. 1б увеличение температуры и длительности нитрирования снижают величину изменения напряжения. Наблюдающиеся изменения напряжения могут быть следствием либо увеличения воздействия ловушек электронов, либо уменьшения воздействия ловушек дырок. Теоретические расчеты показывают, что длина связки Si—N в структуре Si₂N₂O равная 0,12 нм, короче, чем длина связки Si—О в тетраэдной структуре SiO₄, равная 0,262 нм. Поэтому в результате нитрирования происходит ограничение оксидной области, вызванное формированием связки кремний-азот.

Рис. 1. Зависимость изменения плотности межслойных состояний вызванного облучением 0,5 Мрад а), при разных температурах и длительности нитрирования, б- изменение напряжения ΔV в результате облучения, для образцов, подвергавшихся нитрированию при температуре: 1- 900 °С, 2- 1000 °С, 3- 1100 °С, 4- 1200 °С.

По мере увеличения длительности нитрирования связки кремний-кислород уничтожаются и заменяются связками кремний-азот. Влияние нитрирования на радиационную стойкость определяется генерацией промежуточных состояний вследствие распространения дефектов, вызванных облучением, в направлении границы диоксид кремния –кремний ^{[1, 2]}. Скорость распространения зависит от градиента напряжений на границе. Исследовалась эта зависимость для области затвора, результаты исследования показаны на рис. 2. Нитрирование обеспечивает существенную защиту, при нитрировании оксида радиационная стойкость приборов повышается ^{[3, 4]}. При понижении температуры нитрирования и сокращении ее длительности эффект соответственно снижается.

Рис. 2. Зависимость изменения плотности межслойных состояний, вызванная облучением, по площади затвора для чистого оксида (1) и для нитрирования при температуре 1100 °С в течение 60 с (2).

При нагрузке плотностью постоянного тока -1 мА/см² (имитация горячих электронов) изменение плотности межслойных состояний в зависимости от длительности нитрирования при разных температурах (рис. 3), после некоторого времени нитрирования прекращает нарастать и начинает уменьшаться.

Рис. 3. Изменение плотности межслойных состояний в зависимости от длительности нитрирования при температурах: 1- 900 °С, 2- 1200 °С, 3- 1100 °С.

Деградация характеристик приборов под воздействием радиоактивного облучения и горячих электронов существенно зависят от температуры и длительности термического нитрирования. Опасность радиоактивного облучения постоянно снижается при увеличении степени нитрирования, а опасность деградации под действием горячих электронов при увеличении степени нитрирования вначале уменьшается, но при дальнейшем увеличении степени нитрирования начинает расти.