Эффект усиления дозы

Одним из эффектов, влияющих на общее количество электронно-дырочных пар, генерируемых в материале, является усиление дозы. Усиление дозы возникает, когда ионизирующая частица или фотон проходит через два смежных материала с различными атомными массами. При этом вблизи границы двух материалов нарушается состояние электронного равновесия, которое определяется как состояние, при котором для элемента с заданной массой общая энергия, выносимая электронами, равна общей энергии, вносимой электронами [13]. Как показано на рис. 1.15 [13], для двух смежных материалов с различными атомными массами количество электронов, генерированных в материале с меньшей атомной массой, вблизи границы, будет больше, чем при электронном равновесии (вдали от границы это состояние поддерживается). Этот эффект называется усилением дозы. Особенно важную роль данный эффект может играть в случае облучения МОП-структур, дозовая деградация которых главным образом определяется ионизационными эффектами в тонких слоях подзатворного диоксида кремния, граничащего с одной стороны с кремнием, а с другой — с металлом затвора.

а	б

Рис. 1.15. Схематическая диаграмма, иллюстрирующая эффект дозового усиления при облучении МОП-структур [13]: а — толстые оксиды (t_ox  500 нм); б — тонкие оксиды (t_ox  100 нм); сплошная линия соответствует объемной равновесной дозе, а пунктирная линия показывает реальный профиль распределения дозы

Для толстых оксидов (рис. 1.15, a) некоторое усиление дозы в SiO₂ наблюдается вблизи границ оксида (пунктирные линии), но для большей части оксида реальная доза в SiO₂ близка к равновесной дозе (сплошная линия). Для тонких оксидов (рис. 1.15, б) реальная доза (пунктирная линия) заметно превосходит равновесную дозу. Критерий «тонкого» или «толстого» оксида зависит от расстояния, на которое вторичные электроны будут проникать в материал. Для рентгеновских лучей с энергией 10 кэВ средний пробег вторичных электронов в SiO₂ составляет приблизительно 500 нм. Это расстояние значительно больше, чем толщина подзатворного оксида в современных ИС, и во многих случаях это расстояние сравнимо с толщиной полевого оксида или встроенного оксида в КНИ-технологии. Таким образом, значительный эффект дозового усиления может встречаться в большинстве оксидных структур ИС современных технологических вариантов.

При фотонном облучении величина дозового усиления зависит от механизма взаимодействия падающего фотона с материалом. Она будет наибольшей для низкоэнергетических фотонов (<< 1 МэВ), которые взаимодействуют с материалом посредством фотоэлектрического эффекта [13]. Количество вторичных электронов, генерируемых низкоэнергетическими фотонами, пропорционально Z⁴. Таким образом, с повышением атомной массы количество вторичных электронов сильно возрастает. В МОП-транзисторах с поликремниевым затвором атомная масса кремния немного выше атомной массы диоксида кремния, и величина дозового усиления при облучении гамма-квантами ⁶⁰Co с энергией 1,25 МэВ (преобладает комптоновское рассеяние) незначительна. С другой стороны, для низкоэнергетического рентгеновского излучения с энергией 10 кэВ, которое взаимодействует с материалом через фотоэффект, величина дозового усиления может быть больше (~ 1,7 раза) [13], т.е. доза в слое оксида в 1,7 раза превосходит дозу, измеренную при условии электронного равновесия. Наибольший коэффициент дозового усиления получается для металл-силицидных затворов с большими атомными массами (например, вольфрам или тантал), если толщина слоя металла до границы оксида находится в пределах глубины проникновения вторичных электронов.

Для определения общего количества генерированных электронно-дырочных пар в материалах, в которых наблюдается значительное дозовое усиление, необходимо умножить количество электронно-дырочных пар, генерированных падающим ионизирующим излучением, на коэффициент дозового усиления.