3 Дозовые ионизационные эффекты в структуре Si/SiO2 и их влияние на характеристики полупроводниковых приборов и микросхем

Одним из основных элементов современных кремниевых приборов и интегральных схем является структура Si/SiO₂. Данная структура может выступать в роли одного из активных элементов (например в случае полупроводниковых приборов и интегральных схем, изготовленных по МОП- или КМОП-технологии) или как пассивный элемент (граница раздела пассивирующего окисла с кремнием — имеется во всех технологических вариантах изготовления кремниевых ИС и ПП). Главным свойством данной структуры с точки зрения радиационной стойкости является накопление зарядов в диэлектрике и на границе раздела полупроводник-диэлектрик при радиационном облучении. Вследствие этого происходит изменение электрофизических характеристик элементов ИС: изменяется пороговое напряжение МОП-транзисторов, возрастают токи утечки транзисторов в закрытом состоянии, образуются каналы утечки, связывающие различные элементы ИС и др. Данные эффекты относят к классу поверхностных радиационных эффектов. По своей природе данные эффекты являются ионизационными (т.е. первичным механизмом взаимодействия проникающей радиации с облучаемым веществом, приводящим к возникновению данных эффектов, является ионизация), и они заметно проявляются при относительно небольших дозах: порядка 10³–10⁴ рад в зависимости от конструктивно-технологического исполнения ПП и ИС (в ряде случаев и при меньших дозах). Вследствие этого зачастую радиационная стойкость кремниевых ПП и ИС определяется именно поверхностными радиационными эффектами (объемные радиационные эффекты проявляются при более высоких значениях поглощенной дозы, когда уже произошел отказ из-за поверхностных эффектов).

3.1 Особенности строения структуры Si/SiO2

3.1.1 Особенности строения диоксида кремния

Одним из основных элементов всех кремниевых ПП и ИС является структура Si/SiO₂. Диоксид кремния может быть получен различными способами, и в зависимости от способа получения ему будут присущи те или иные свойства. При создании МОП-структур обычно используется получение SiO₂ методом термического окисления кремния. При этом, как считается, получается аморфный диоксид кремния. Но, тем не менее, в аморфном SiO₂ встречаются локальные атомные конфигурации, присущие кристаллическим формам диоксида кремния. Поэтому вначале необходимо рассмотреть некоторые свойства кристаллических форм SiO₂.

Кристаллические формы SiO2

Основными кристаллическими формами SiO₂ являются - и -кварц, тридимит и кристобалит, причем наиболее вероятной кристаллической формой SiO₂ является тридимит, который стабилен при низких давлениях вплоть до температуры 1470 С [16]. Высокотемпературный кварц при температуре 870 С переходит в тридимит, однако благодаря высоким механическим напряжениям, имеющим место при окислении, высокотемпературный кварц и присущие ему конфигурации связей все-таки будут встречаться в SiO₂. Кроме того, следует учитывать возможность присутствия и других кристаллических форм диоксида кремния.

Практически во всех формах SiO₂ основной структурной единицей является тетраэдр SiO₄, в котором каждый атом кремния окружен четырьмя атомами кислорода (см. рис. 3.1).

Рис. 3.1. Тетраэдр SiO₄ — основная структурная единица различных кристаллических форм диоксида кремния

Длина связей Si–O меняется от 0,152 до 0,169 нм, длины связей Si–Si составляют порядка 0,313 нм, а длины связей О–О — порядка 0,262 нм. Угол между связями O–Si–O составляет 109,18. Каждый атом кислорода связан с двумя атомами кремния. Угол между связями Si–O–Si может меняться от 120 до 180 в зависимости от материала, причем обычно максимум распределения приходится на величину 144 [16].