Кинетика накопления и отжига радиационных дефектов в активных областях кремниевых МОП и КМОП структур Таперо, Константин Иванович

Введение к работе

Актуальность работы, D последние годы радшцнонно-техшлогические процессы (РТП), состоящие in последовательных операций обработки высоко-зпергетичными частицами и огжпга (термического или лучевого), успешно применяются в производстве различных типов полупроводниковых прибороп (ПП) и интегральных микросхем (ИМС) для управления параметрами, исправления параметрического брака, повышения быстродействия, радиационной стойкости и выхода годных изделий. Кроме того, различные варианты радиа-ционно-термнческой обработки позволяют выявлять ПП и ИМС со скрытыми дефектами, нспользавапие которых может привести к снижению надежности электронной аппаратуры, особенно б случае ее эксплуатации в условиях воздействия жестких внешних энергетических факторов, например, ионизирующих излучений (ИИ) космического пространства.

В связи с широким использованием в радиоэлектронной аппаратуре ПП и ИМС, работающих на принципах переноса тока основными носителями заряда и выполненных на основе структур мегалл-диэлектрпк-полупроводник (МДП), становится актуальной задача выявления закономерностей физических процессов, протекающих в различных областях МДП-структур при воздействии радиации и последующем отжиге, н разработки оптимальных режимов РТП для управления параметрами и повышения радиационной стойкости МДП ПП и ИМС. Наиболее часто в качестве диэлектрика в кремниевых МДП-структурах используется диоксид кремния, так как в этом случае граница раздела кремний-диэлектрик получается о наилучшими характеристиками. Более того, даже в случае использования других диэлектриков, например, нитрида кремния, обычно для улучшения свойств границы раздела создается подслой SiO_:. Следовательно, можно заключить, что основным элементов МДП ПП и ИМС является структура Si-Si0₂, и процессами, протекающими в данной структуре при радиационном облучении или отжиге, во многом будет обусловлено изменение параметров ПП и ИМС,-

Большая степень интеграции, низкая потребляемая мощность, сравнительно высокое быстродействие обусловили перспективность использования структур металл-окисел-полупроводник (МОП) и особгчно ПН и ИМС, выполненных на основе комплементарных МОП транзисторных структур (КМОП). Однако, представление о физических процессах, протекающих в их активных областях, отличающихся технологическими и конструктивными особенностями.

при воздействии ИИ и термическом отжиге, недостаточно полное. Поэтому комплексное изучение зарядового состояния диэлектрика, границы раздела полупроводник-диэлектрик, объема и приграничной области полупроводника, кинетики накопления, перестройки и отжига радиационных дефектов, образующихся в активных и пассивных областях реальных КМОП структур на различных этапах радиационной и термической обработки весьма актуально. Решение этих задач позволит развить физико-технические основы РТП для класса МОП и КМОП ПП и ИМС с целью управлення их электрофизическими н электрическими параметрами, повышения симметричности параметров транзисторов, входящих в состав КМОП структур, повышения стабильности параметров и устойчивости к воздействию ИИ.

Цель диссертационной работы - во-первых, экспериментально исследовать кинетику зарядовых процессов, происходящих в МОП и КМОН-структурах при радиационном облучении и термическом отжиге, во-вторых, разработать теоретические модели, описывающие кинетику зарядовых процессов, происходящих в структурах Si-Si0₂ при радиационно-термических воздействиях, в-третьих, разработать оптимальные режимы и оценить эффективность применения РТП для управления электрическими параметрами ИМС, изготовленных на основе КМОП-струшур.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи.

1) Установить физические закономерности формирования, перестройки и
отжига поверхностных состояний (ПС) на границе раздела кремний-
диэлектрик, а также заряда в подзатворном диэлектрике КМОП и МОП струк
тур на различных этапах операций радиационного облучения и отжига.

2) Установить взаимосвязь изменения электрофизических параметров
МОП и КМОП ПП и ИМС с зарядовым состоянием физических областей иссле
дуемых структур.

1. Провести сравнительный анализ физических процессов, протекающих в МОИ и КМОП структурах при воздействии различных видов ИИ, а также разработать теоретические методы для сравнительной оценки эффективности воздействия на МОП и КМОП структуры различных видов ионизирующих излучений.

2. Разработать методику и провести исследование зарядовых неоднород-ностей в реальных КМОП структурах серии 564 при облучении и отжиге на основе измерения электрофизических характеристик тестовых структур на пластинах.

5. Разработать методику для выявления структур со скрытыми дефектами с помощью тестового радиационного облучения и термического отжига применительно к реальным КМОП ИМС серии 564.

6. Разработать физически обоснованные рекомендации по оптимизации режимов проведения операций ІТИ для управления параметрами КМОП ИМС серии Б747.

Для успешного решения поставленных задач необходимо провести исследование радиационных процессов в МОП и КМОП структурах в широком диапазоне доз. Так, для исследования поверхностных ионизационных процессов и разработки методики радиационной отбраковки потенциально ненадежных ПП и ИМС необходимо проводить облучение небольшими интегральными потоками (~10¹³см"²). /{ля исследования радиационной стойкости ПП и ИМС и механизмов их деградации при облучении интегральный поток ИИ должен бьпъ значительно больше (~10¹⁵-10^,в см"²). D целях управления параметрами ПП н ^; ИМС с помощью РТП необходимо проводить "сверхглубокое" облучение исследуемых структур интегральными потоками свыше Ю^см"². На основании этого при проведении экспериментальных исследований в данной работе интегральные потоки ИИ (электронов и гамма-квантов) изменялись п широком диапазоне: от 10¹⁰ до 10¹⁷ см"².,

Кинетика радиационных процессов в МОП и КМОП структурах также во многом определяется консіруктпвно-технологическими особенностями облучаемых образцов. Поэтому для проведения исследований были выбраны различные варианты МОП и КМОП ПП и ИМС: дискретные транзисторы типа КГО01 и 2Ш05, а также тестовые структуры на пластинах КМОП ИМС серий 564 и 747. Данные структуры различаются но своим топологическим размерам и особенностям строения затворной системы (толщина и состав диэлектрика, материал затвора и др.).

Научная новизна представленных в данной диссертационной работе результатов заключается в следующем:

- разработаны теоретические модели зарядовых процессов, протекающих в подзатворном диэлектрике и на границе раздела кремний-диэлектрик при радиационном облучении и термическом отжиге, в которых помимо процессов ионизации н захвата образующихся при этом дырис на ловушки, имеющиеся и данных областях, учитывается влияние водорода и водородных соединений на кинетику Процессов;

- на основе анализа экспериментальных результатов, полученных в работе,
выявлен вклад эффекта неравновесной генерации вакансий и меясдоузельных
атомов на протекание зарядовых процессов в подзатворном диэлектрике КМОП
структур при "глубоком" облучении;

- показана эквивалентность воздействия на" МОП структуры гамма-
излучения и быстрых электронов с энергией порядка нескольких МэВ при
сравнительно небольших интегральных потоках, а также разработан теоретиче
ский метод расчета коэффициента эквивалентности гамма-облучения и облу
чения быстрыми заряженными частицами, определяемого как поток частиц, со
ответствующий поглощенной дозе в 1 Гр; в данном методе помимо физических
характеристик быстрых заряженных частиц учитываются также конструктив
но -технологические особенности облучаемых структур;

- на основе анализа результатов исследования зарядовых неоднородностей
на пластинах КМОП ИМС показана возможность выявления с помощью тесто
вого э-.лстронпого облучения небольшим потоком и последующего термическо
го отжига структур, содержащих скрытые дефекты, приводящие к снижению

J надежности ИМС, на основе чего разработана методика радиационной отбраковки потенциально ненадежных КМОП ИМС серии 564;

- показано, что вблизи краев пластины расположено наибольшее количе
ство структур, содержащих скрытые дефекты, причем такие структуры могут
выявляться как на операции облучения, так и при отжиге, а аномальное изме-

. нение электрофизических параметров таких структур, в основном, обусловлено эффективным встраиванием дополнительного положительного заряда диэлектрика;

- разработаны оптимальные режимы операций РТП для управления элек
трофизическими параметрами КМОП ИМС серии Б747 с использованием
"глубокого" облучения КМОП структур высокоэнергетичнымн электронами.

Практическая полезность работы,

1. Показана эффективность и воспроизводимость способа "глубокого" облучения высокоэнергетичнымн электронами для управления пороговыми напряжениями и крутизной п- и р-канальных транзисторов КМОП ИМС серии Б747.

2. Разработаны оптимальные режимы операций РТП для эффективного управления пороговыми напряжениями и крутизной транзисторов из состава КМОП ИМС серии Б747 с молибденовой затворной системой, используемых в

аппаратуре космических объектов. В качестве отжига рекомендовано использовать последнюю технологическую операцию нанесения защитного слоя.

3. Разработана методика радиационной отбраковки потенциально ненадежных КМОП ИМС серии 564, применение которой позволт выявить до 5 % от всей партии структур со скрытыми дефектами.

4. Разработана методика расчета коэффициента эквивалентности гамма-облучения и облучения быстрыми заряженными частицами ПП и ИМС, учитывающая конструктивно-технологические особенности облучаемых приборов И физические характеристики бомбардирующих частиц.

5. Разработана методика оценки влияния исходной концентрации ловушек и эффекта неравновесной генерации вакансий и междоузельных атомов на кинетику зарядовых процессов в подзатворном диэлектрике при "глубоком" облучении, позволяющая повысить достоверность результатов численного моде-, лирования радиационных процессов в МОП и КМОП структурах и снизить объемы экспериментальных исследований.

6) Разработан метод контроля зарядовых неоднородностей в реальных
КМОП структурах, основанный на измерениях подпороговых ВАХ тестовых
структур на пластинах в условиях производства.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

1. Результаты исследования кинетики зарядовых процессов, протекающих в подзатворном диэлектрике и на границе раздела полупроводник-диэлектрик МОП и КМОП структур при радиационном облучении и термическом отжиге.

2. Результаты сравнительного исследования физических процессов, протекающих в МОП и КМОП структурах при воздействии различных видов ИИ.

3. Результаты исследования зарядовых неоднородностей на пластинах КМОП ИМС серии 564 при электронном облучении и термическом отжиге.

4. Результаты использования РТП для управления электрофизическими параметрами КМОП ИМС серии Б747, а также оптимальные режимы операций РТП.

5. Методика радиационной отбраковки КМОП ИМС серии 564, содержащих скрытые дефекты. >--.'."

6. Теоретические модели зарядовых процессов, протекающих при облучении и отжиге в подзатворном диэлектрике и на границе кремний-диэлектрик,

7. Методика оценки влияния эффекта смещения атомов на кинетику зарядовых процесов в подзатворном диэлектрике.

8) Методика расчета коэффициента эквивалентности воздействия на реальные 1Ш и ИМС гамма-облучения и облучения быстрыми заряженными частицами.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 4 Межотраслевой научно-технической конференции "Надежность и контроль качества изделий электронной техники" (Звенигород, 8-17 июня 1993г.), на Межрегиональной научно-технической конференции "Комплексное математическое и физическое моделирование, обеспечение надежности электронных приборов и anaapaiypu" (Бердянск, 5-Ю сентября 1994 г.), на ежегодном научно-техническом семинаре "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах (метрология, диагностика, технология)" (Мэсква,28 ноября - 1 декабря 1994г., 27-30 ноября 1995 г.), на научно-техническом семинаре "Микроэлектроника для атомной энергетики" (Москва, 13—14 ноября 1995 г.), на Научных чгениях по военной космонавтике памяти акадеч.іка М.К.Тихонравова (Калининград, 13-16 мая 1996 г.), на VI межотраслевой научно-технической конференции "Воздействие ионизирующих излучений на РЭА, се элементы и материалы. Методы испытаний и исследований" (Лыткаршю, 4-6 июня 1996 г.).

Публикации. По материалам диссертации в различных изданиях опубли
ковано 12 работ. .

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заіслючения и двух приложений с общим обьемом 188 страниц, включая 51 рисунок, 8 таблиц и список используемой литературы из 74 наименований.