3.4.4 Некоторые особенности дозовых радиационных эффектов в мдп-структурах с альтернативными диэлектриками

С момента разработки МОП ИС основным подзатворным диэлектриком был диоксид кремния. По мере развития технологии ИС толщина подзатворного SiO₂ становится крайне малой. Она может достигнуть такого значения, когда электронное туннелирование приведет к чрезмерно большому росту энергопотребления. Чтобы обойти эту проблему исследовались альтернативные подзатворные диэлектрики с высокими значениями диэлектрической константы (также называемые «high-k-диэлектрики»). При более высоких значениях диэлектрической константы можно использовать более толстые диэлектрики для получения той же емкости, что и в случае тонкого подзатворного SiO₂. Для этих толстых диэлектриков с большой диэлектрической константой понижается влияние электронного туннелирования, а захваченный в оксиде заряд может быть более значимым.

В настоящее время имеется очень мало информации о радиационной стойкости диэлектриков, рассматриваемых в качестве замены SiO₂. В следствие того, что толщина подзатворных диэлектриков будет больше, а для их осаждения или выращиваются используются различные методы, возможно, что эти диэлектрики будут захватывать значительно больше заряда, чем тонкий термически выращенный подзатворный SiO₂. В результате радиационно-индуцированное накопление заряда вновь может влиять на радиационную стойкость ИС.

Одним из распространенных в настоящее время альтернативных диэлектриков является диоксид гафния HfO₂. Диоксид гафния имеет более высокую диэлектрическую константу (~25) по сравнению с SiO₂ (~3,9). Он в меньшей степени по сравнению со многими другими рассматриваемыми диэлектриками вступает в реакции с поликремнием и дает хорошие результаты по ряду надежностных характеристик, таких как генерированный электрическим полем ток утечки (SILC), зависящий от времени пробой диэлектрика, и среднее время наработки на отказ [13].

На рис. 3.39 представлены дозовые зависимости сдвига напряжения середины зоны для конденсаторов с диэлектриком из оксида гафния, облученных рентгеновскими лучами с энергией кванта 10 кэВ при подаче во время облучения напряжения 0 и 3 В [13]. Физическая толщина подзатворного оксида гафния составляла 32 нм. Это соответствует эквивалентной толщине оксида (EOT — equivalent oxide thickness) 5 нм (имеется в виду эквивалентная толщина SiO₂, соответствующая тому же значению емкости затвора). В предположении, что в середине зоны заряд ПС нейтрален (что для оксида гафния требует подтверждения), сдвиг напряжения середины зоны равен сдвигу напряжения за счет накопленного в оксиде заряда. Сдвиг напряжения середины зоны относительно большой. После облучения дозой 900 крад(SiO₂) сдвиг напряжения превышает 1 В в случае конденсаторов, облученных с подачей смещения 3 В, и приблизительно 0,8 В в случае конденсаторов, облученных при нулевом смещении. Эти сдвиги соответствуют приблизительно 50-процентному захвату дырок. Можно ожидать, что для более актуальных для практического использования толщин диоксида гафния (ЕОТ < 2 нм), которые будут востребованы для производства БИС передовых технологических вариантов, сдвиг напряжения должен быть значительно меньшим, в предположении, что радиационная стойкость диэлектриков из оксида гафния повышается с уменьшением толщины диэлектрика аналогично SiO₂.

Рис. 3.39. Дозовые зависимости сдвига напряжения середины зоны для конденсаторов на основе диоксида гафния, облучаемых рентгеновскими квантами с энергией 10 кэВ при подаче смещения 0 и 3 В. Эквивалентная толщина оксида (EOT) составляет 5 нм, а физическая толщина диоксида гафния — 32 нм [13]

Другим более детально исследованным альтернативным диэлектриком является переокисленный азотированный оксид (RNO — reoxidized nitrided oxide). Азотированные оксиды имеют плотность микроканалов меньшую, чем в SiO₂, могут быть выращены при высокой температуре, что дает лучшую однородность, меньшие механические напряжения и фиксированный заряд, и могут препятствовать диффузии легирующих примесей через диэлектрик, влияющей на удельное сопротивление канала [13]. Эти свойства делают азотированные оксиды и RNO привлекательными для использования в качестве ультра-тонких подзатворных диэлектриков в коммерческих и радиационно-стойких приборах. В ряде экспериментов было показано, что RNO превосходят термические оксиды по радиационной стойкости и деградации, обусловленной горячими носителями [13].

Азотирванные оксиды могут быть изготовлены несколькими различными методами. Одним из прямых методов является отжиг термических оксидов в среде аммиака (NH₃). Отжиг в среде аммиака дает высокую концентрацию азота в диэлектрике с максимумами вблизи обеих границ. Азотирование термических оксидов может привести к образованию в них большое количества электронных ловушек [13]. Электронные ловушки определяют высокие исходные (до облучения) значения порогового напряжения и низкую подвижность носителей. Азотированные оксиды могут быть переокислены путем высокотемпературного кислородного отжига, что приводит к образованию RNO. Переокисление азотированных оксидов снижает количество азота в объеме диэлектрика и на границе с затвором, оставляя большой пик вблизи границы диэлектрик/кремний. RNO-процессы можно оптимизировать для получения транзисторов с исходной плотностью ПС, сравнимой с величиной, характерной для термических оксидов. Переокисление также понижает количество электронных ловушек [13], что приводит к более высоким исходным (до облучения) концентрациям фиксированного заряда.

Основным отличием в радиационном отклике между термическими оксидами и RNO является почти полное отсутствие накопления ПС в случае использования RNO-диэлектриков. Можно создать RNO-диэлектрики, в которых не будет никакого измеримого накопления ПС при облучении дозами свыше 50 Мрад(Si) [13]. Это делает затворные системы с RNO привлекательными для космических применений. В тех случаях, когда при облучениии наблюдается некоторое накопление ПС, после облучения количество ПС не увеличивается со временем [13]. Это, скорее всего, происходит из-за того, что водород, высвобожденный в объеме диэлектрика или вблизи границы (который отвечает за накопление ПС в термических оксидах), не может проникать в богатый азотом слой оксинитрида вблизи границы и образовывать поверхностные ловушки.

Рис. 3.40. Дозовые зависимости изменения напряжения середины зоны для транзисторов с RNO- и термическим подзатворными оксидами толщиной 37 нм [13]. Напряжение середины зоны соответствует сдвигу порогового напряжения, обусловленному накопленным в оксиде зарядом

Можно изготовить RNO-диэлектрики так, чтобы величина накопленного в оксиде заряда была меньше или сравнима с величиной, характерной для термических оксидов. На рис. 3.40 [13] представлены графики дозовых зависимостей сдвига напряжения середины зоны для р-канальных транзисторов, изготовленных с применением стойкого оксида и RNO. Толщина оксида и RNO-диэлектрика составляла 37 нм, а уровень фиксированного заряда до облучения составлял ~310¹⁰ и 10¹¹ см^–2 соответственно. В середине зоны заряд ПС нейтрален, следовательно, сдвиг напряжения середины зоны соответствует сдвигу порогового напряжения, обусловленному зарядом, захваченным в оксиде. Напряжение при облучении составляло +5 В в случае стойких оксидов и как +5, так и –5 В в случае RNO-оксидов. После облучения дозой 10 Мрад(SiO₂) величина накопленного в оксиде заряда в случае стойких оксидов более чем в 2 раза выше, чем в случае RNO-оксидов. Следует отметить, что в случае транзисторов с RNO-оксидами сдвиги напряжения приблизительно одинаковы как при +5, так и при –5 В во время облучения.

Для определения микроструктуры точечных дефектов в азотированных диэлектриках были проведены исследования азотированных и переокисленных азотированных диэлектриков методом ЭПР [13]. Азотирование термических оксидов ведет к снижению числа радиационно-индуцированных E’-центров. Кроме того, азотирование создает предшественников для дефектных центров мостикового азота. Центр мостикового азота представляет собой атом азота, соединенный с двумя атомами кремния. При этом две связи азота остаются доступными для захвата заряда. Переокисление вызывает повышение числа радиационно-индуцированных E’-центров и снижает число предшественников мостикового азота. Центры мостикового азота отвечают за захват электронов в азотированных оксидах. E’-центры, присутствующие после переокисления, отличаются от характерных для термических оксидов тем, что они электрически нейтральны в парамагнитном состоянии [13]. Таким образом, большинство E’-центров в RNO-диэлектриках, по-видимому, не связано с радиационно-индуцированным зарядом в оксиде. В экспериментах по стравливанию, проводимых на азотированных и RNO-диэлектриках, было получено, что распределение центров мостикового азота имеет пик вблизи границы затвор/SiO₂, а радиационно-индуцированные E’-центры расположены однородно по толщине диэлектрика (в случае термических оксидов радиационно-индуцированные E’-центры могут располагаться вблизи границы Si/SiO₂). Таким образом, процесс азотирования изменяет распределение радиационно-индуцированных E’-центров.