Моделирование воздействия ионизирующих излучений на зарядовые свойства структур poly-Si-SiO2(P)-Si

• Автор: Макаренко, Владимир Александрович
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Воронеж
• Количество страниц: 160 с. : ил.

ГЛАВА 1. Влияние радиационного воздействия на структуры 8ь8Ю2

(литературный обзор)

1.1. Природа дефектов в системе кремний - двуокись кремния

1.2. Воздействие ионизирующих излучений на кремниевые структуры металл-диэлектрик-полупроводник

1.3. Радиационная технология

ГЛАВА 2. Модель накопления и релаксации радиационноиндуцированного заряда

2.1. Физичекое описние модели

2.2. Математичекое описание модели

2.3. Анализ процессов накопления радиационно-индуцированного заряда в диэлектрике МДП-структуры

2.4. Термическая и туннельная разрядка

ГЛАВА 3. Радиационный токоперенос

3.1. Токоперенос под воздействием рентгеновского излучения
3.2. Токопренос под воздействием УФ-излучения
ГЛАВА 4. Моделирование радиационной технологии
4.1. Моделирование базового процесса рентгеновской корректировки порогового напряжения
4.2. Комбинирование радиационного и термического воздействий
4.3. Моделирование технологических процессов рентгеновской корректировки пороговых напряжений
Заключение
Список литературы

Актуальность. Экспериментальные исследования и моделирование воздействия ионизирующих излучений на электрофизические параметры кремниевых МОП-структур, ведущиеся с шестидесятых годов прошлого столетия, были направлены, главным образом, на решение проблем прогнозирования и повышения радиационной стойкости полупроводниковых приборов и интегральных схем (ИС). Ионизирующие излучения рассматривались как дестабилизирующие факторы, приводящие к нарушению нормального функционирования и деградации МОП-приборов. Возможность технологического использования ионизирующих излучений для регулировки параметров МОП-структур не анализировалась, поскольку считалось, что радиационно-индуцированные изменения параметров не могут быть достаточно стабильными. Однако, такое положение, справедливое для кремниевых МОП-структур с металлическим затвором и беспримесным или содержащим водород оксидом кремния, перестает выполняться для МОП-структур с поликремниевым затвором poly-Si, легированным фосфором, и подзатворным окислом Si02(P), также содержащим примесь фосфора. В 80-90 годах была разработана технология прецизионной регулировки пороговых напряжений широкого класса МОП ИС на основе таких структур, использующая мягкое (~10 keV) рентгеновское и ближнее (< 6 eV) ультрафиолетовое излучения для формирования заряда с достаточной термополевой стабильностью в слоях Si02(P) [Microelectronics Reliability 41 (2001) 797, Микроэлектроника 31 (2002) 408]. Эксперименты показали, что стабильный радиационно-индуцированный заряд связан с наличием примеси фосфора в подзатворном слое двуокиси кремния и не может быть сформирован в беспримесном окисле. Дальнейшие разработки технологических процессов с использованием ионизирующих излучений, решение проблем оценки радиационной стойкости МОП ИС, создания дозиметров на их основе, потребовали количественного описания
процессов накопления и релаксации радиационного заряда в МОП структурах с учетом глубоких ловушечных уровней примесных центров в окисном слое, что определяет актуальность данной работы.
Цель работы состояла в численном моделировании радиационных эффектов в структурах металл-диэлектрик-полупроводник с глубокими ловушечными уровнями в широкозонном материале, обеспечивающем количественное описание основных закономерностей воздействия ионизирующих излучений на структуру ро1у-Б1—8102(Р)—81.
В соответствии с целью работы были сформулированы следующие задачи исследования.
1. Построение модели МОП-структуры с ловушечными уровнями в окисном слое и поверхностными состояниями на границе окисла с полупроводником и математическое описание воздействия ионизирующих излучений на такие структуры.
2. Количественное описание кинетики накопления и релаксации радиационного заряда в МОП-структуре с двумя типами ловушечных уровней в окисном слое и поверхностными состояниями на границе окисла с полупроводником.
3. Моделирование процессов токопереноса в структурах ро/у-Зь-ЗЮгСР)-
при ультрафиолетовом и рентгеновском облучениях.
4. Моделирование процессов корректировки пороговых напряжений структур ро/у-Зт-ЗЮгСР)^ радиационно-термическими воздействиями с использованием рентгеновского и ультрафиолетового излучений.
Научная новизна. В работе получены следующие новые результаты:
1. Впервые проведено моделирование воздействия ионизирующих излучений на зарядовые характеристики МОП-структур с учетом глубоких примесных уровней в окисле и дано количественное описание

Локальное радиационное тестирование элементов МДП БИС.
В [111] сообщалось о возможности использования облучения МДП БИС низкоэнергетическими электронами (10-50 кэВ) в растровом электронном микроскопе (РЭМ) для имитации воздействия различных видов ионизирующих излучений (на примерах рентгеновского, гамма и альфа-излучений). Изменение параметров МДП БИС, вызываемые рентгеновским, у - и а - воздействиями в диапазоне экспозиционных доз до 1Е6 Р достигается облучением в РЭМ за время t тестирования в РЭМ обусловлены возможностью локального воздействия электронным лучом на отдельные элементы МДП БИС, что позволяет выявить участки с повышенной радиационной чувствительностью, вызывающие деградацию схемы в целом. Так, локальное радиационное тестирование позволило установить, что причиной повышения потребления тока в облученных n-канальных МДП БИС является формирование инверсного слоя по периферии канала активного транзистора в области LOCOS’a (LOCal Oxidation of Silicon) за счет накопления положительного заряда в полевом окисле [112].
В подпороговой области ВАХ активного транзистора появлялся участок тока, не управляемый напряжением на затворе. Из сопоставления результатов локального облучения подзатворной области активного МДПТ, периферийной области “птичьего клюва” и области полевого окисла следует, что этот участок ВАХ обусловлен током утечки, протекающим от истока к стоку по периферии транзистора. Сложение токов утечек отдельных транзисторов увеличивает ток потребления всей схемы. При этом, деградация схемы за счет повышения тока потребления