3.3 Накопление и релаксация зарядов в структуре Si/SiO2 при радиационном облучении и отжиге

3.3.1 Общее описание процессов накопления заряда в структурах Si/SiO2 при радиационном облучении

Основными эффектами, возникающими в МОП-структурах вследствие воздействия ионизирующего излучения, являются накопление положительного заряда в объеме диэлектрика и рост плотности ПС на границе раздела полупроводник-диэлектрик. При облучении МОП-транзистора высокоэнергетическим ИИ равномерно по всему оксиду образуются электронно-дырочные пары. Генерация электронно-дырочных пар определяет практически все дозовые эффекты. Генерированные носители вызывают встраивание заряда в диэлектрике и на границе раздела полупроводник-диэлектрик, что приводит к деградации ПП и ИС.

Качественно процесс генерации положительного заряда в диэлектрике можно описать с помощью ионизационной модели [3, 8, 13, 15–17]. Согласно этой модели, при облучении в объеме SiO₂ генерируются электронно-дырочные пары. Часть из них рекомбинирует, а оставшиеся пары разделяются. Подвижность электронов во много раз больше подвижности дырок, вследствие чего электроны быстро покидают диэлектрик, а дырки могут захватываться на имеющиеся в нем ловушки, заряжая их положительно.

В ряде отечественных работ в результате изучения влияния различных видов ИИ на заряд структуры Si/SiO₂ в зависимости от способа выращивания диоксида кремния, типа подложки и условий обработки, была предложена «двухслойная» модель образования заряда, которая также учитывает образование заряженных центров в приповерхностной области полупроводника [3]. Поскольку при радиационной обработке наблюдается компенсация проводимости n- и р-кремния, то можно считать, что в приповерхностной области n-кремния преимущественно вводятся акцепторные центры, в р-кремнии — донорные. В результате знак и величина общего заряда структуры Si/SiO₂ будет определяться в случае р-кремния суммой зарядов в оксиде и в приповерхностной области полупроводника, а в случае n-кремния — разностью.

Механизм деградации прибора проиллюстрирован на рис. 3.10 [13]. Здесь показана зонная диаграмма МОП-структуры для конденсатора с р-подложкой при подаче положительного смещения на затвор.

Сразу после образования электронно-дырочных пар большинство электронов быстро дрейфуют (в течение пикосекунд) по направлению к затвору, а дырки дрейфуют по направлению к границе Si/SiO₂. Однако перед тем как электроны покидают оксид, часть из них успевает прорекомбинировать с дырками. Та часть электронно-дырочных пар, которая избежала рекомбинации, называется электронно-дырочным выходом (выходом электронно-дырочных пар). Дырки, избежавшие «начальной» рекомбинации, будут перемещаться по оксиду по направлению к границе Si/SiO₂, перескакивая по локализованным в оксиде состояниям. При подходе к границе часть дырок захватывается, образуя положительный встроенный заряд оксида. При «перескакивании» дырок по оксиду или при их захвате вблизи границы Si/SiO₂ легко высвобождаются ионы водорода (протоны). Эти ионы могут дрейфовать по направлению к границе Si/SiO₂, где они могут вступить в реакции с образованием поверхностных ловушек. При пороговом напряжении поверхностные ловушки заряжены преимущественно положительно в случае р-канального транзистора и отрицательно в случае n-канального транзистора.

Рис. 3.10. Зонная диаграмма МОП-конденсатора с положительным смещением на затворе, иллюстрирующая основные процессы радиационно-индуцированной генерации заряда

Кроме зарядов в диэлектрике и на поверхностных ловушках, образующихся в подзатворных оксидах, встраивание заряда также будет иметь место и в других оксидах, включая полевые оксиды и встроенные оксиды в КНИ-структурах. Радиационно-индуцированное встраивание зарядов в подзатворных, полевых и встроенных оксидах может привести к деградации приборов и отказу микросхемы. Встроенный в подзатворном оксиде положительный заряд может инвертировать область канала и привести к возникновению тока утечки в выключенном состоянии (V_GS = 0 В). Это приведет к повышению статического тока потребления ИС, а также может вызвать отказ ИС. Подобным образом, положительный заряд, захваченный в полевом или встроенном окисле, также может вызвать значительное повышение статического тока потребления ИС, вследствие возникновения паразитных каналов утечки в транзисторе. В действительности для современных ИС с очень тонкими подзатворными оксидами радиационная деградация обычно определяется радиационно-индуцированным встраиванием заряда в полевых и встроенных оксидах. Высокая концентрация поверхностных состояний может привести к снижению подвижности носителей заряда и повышению порогового напряжения n-канального транзистора. Это ведет к снижению быстродействия транзисторов с ухудшением временных параметров ИС.

В данном разделе подробно рассмотрено встраивание заряда в оксиде МОП-транзистора и на поверхностных ловушках. Большая часть приведенного материала относится к механизмам встраивания зарядов в подзатворных оксидах транзисторов и конденсаторов, однако механизмы радиационно-индуцированного встраивания заряда в полевых оксидах и встроенных оксидах КНИ-структур схожи с механизмами для подзатворных оксидов.