Введение к работе
Актуальность проблемы
Одним из направлений исследований, связанных с воздействием ионизирующих излучений (ИИ) на структуру металл-окисел-полупроводник (МОП), является разработка методов прогноза радиационной стойкости МОП ИС к воздействию низко-интенсивного космического излучения.
При воздействии ИИ на МОП структуру происходит образование положительного радиационно-индуцированного заряда в окисле и радиационных поверхностных состояний (ПС) на границе полупроводник-окисел. Наряду с этим протекают долговременные процессы туннельной и термической разрядки заряда в окисле и на ПС. Соотношение этих процессов определяет изменение зарядового состояния МОП структуры в процессе воздействия ИИ. Сложность прогнозирования радиационной стойкости МОП ИС к воздействию ИИ малой мощности дозы обусловлена тем, что проведение натуральных испытаний невозможно из-за больших времен испытаний, соизмеримых с временами эксплуатации прибора. В связи с этим актуальной задачей является разработка методов прогноза, основанных на исследовании отклика МОП структуры к воздействию ИИ с большой мощностью дозы.
Существующие методы решения этой задачи не являются универсальными и применимы лишь для определенных технологий изготовления МОП ИС. В частности, для подзатворных окислов, содержащих водород, одной из причин зарядовой нестабильности является долговременная генерация ПС. Для прогноза поведения таких схем при воздействии ИИ разработаны тесты, включающие облучение при ИИ большой мощности дозы и последующий отжиг.
Базовой технологией комплементарных (КМОП) ИС является технология, использующая МОП структуры с поликремниевым затвором, легированным фосфором до металлической проводимости, и подзатворным окислом, полученным окислением в сухом кислороде при температуре 1050С (po/y-Si-Si02(P)-Si). Для таких структур характерна высокая концентрация внутренних упругих напряжений на границе раздела полупроводник-окисел, что и является причиной образования радиационно-индуцированных ПС. Для ИС, изготовленных по такой технологии необходима разработка моделей МОП структур учитывающих механизм образования ПС без участия водорода.
Цель и задачи работы
Цель работы состояла в моделировании радиационных эффектов в структурах/?o/y-Si-Si02-Si, содержащих собственные дефекты в окисле и на его границе с полупроводником, обеспечивающем количественное описание основных закономерностей воздействия ионизирующих излучений различной интенсивности.
В соответствии с целью работы были сформулированы следующие задачи исследования:
Построение модели МОП-структуры с поликремниевым затвором {poly- Si-SiCb-Si), учитывающей наличие собственных дефектов в окисле и на его границе с полупроводником.
Количественное описание кинетики накопления и релаксации радиационного заряда в МОП-структуре в рамках предложенной модели.
Разработка методики оценки радиационной стойкости МОП ИС к воздействию ИИ малой мощности дозы.
Создание программного обеспечения для реализации предложенной методики.
Практическая ценность работы
Предложена методика прогноза радиационной стойкости МОП ИС к воздействию низкоинтенсивного космического излучения, основанная на анализе отклика структуры к воздействию радиации большой мощности дозы и решении системы уравнений, описывающих процессы накопления радиационного заряда в подзатворном окисле структуры /?o/y-Si-Si02-Si и его релаксации за счет туннелирования и термоэмиссии.
Обнаруженная зависимость дозовых характеристик МОП структур от микроскопических параметров дефектов подзатворного окисла требует проведения разбраковки и прогноза радиационной стойкости индивидуально для каждого изделия.
Разработано программное обеспечение для моделирования процессов зарядовой деградации кремниевых МОП структур под действием ионизирующего излучения различной интенсивности.
Апробация результатов работы и публикации
Основные результаты, представленные в диссертационной работе,
докладывались на следующих конференциях: Всероссийская конференция
«Физико-химические процессы в конденсированном состоянии и на
межфазных границах. Фагран-2006» (Воронеж, 2006г.), Международная
научно-техническая конференция «Фундаментальные проблемы
радиоэлектронного приборостроения (Intermatic-2006)» (Москва, 2006г.), LVII Международная конференция по ядерной физике (Воронеж, 2007г.), Международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2007г.), XI Международная научно-техническая конференция «Кибернетик и высокие технологии XXI века» (Воронеж, 2007г.), XII Международная научно-техническая конференция «Кибернетика и высокие технологии XXI века» (Воронеж, 2009г.), Международная научно-техническая конференция «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения (Intermatic-2009)» (Москва, 2009г.).
Научные положения, выносимые на защиту
Модель накопления заряда в слое двуокиси кремния и на поверхностных состояниях границы раздела Si-SiCb кремниевой МОП структуры под воздействием рентгеновского излучения, основанная на едином механизме генерации радиационных дефектов Е' (-Бі=Оз) и Рь (-Si=Si3) в переходном нестехиометрическом слое с высоким уровнем внутренних упругих напряжений, позволяет адекватно описать радиационно-термические эффекты в структурах/?o/y-Si-Si02-Si.
Вид дозовой зависимости изменения порогового напряжения МОП структуры определяется значениями микроскопических параметров ловушек в окисле: концентрацией, энергией активации, распределением ловушек по толщине окисла, величинами подвижностей и сечений захвата для электронов и дырок, а также характером зависимости этих параметров от напряженности электрического поля в окисле.
Наиболее существенное влияние на дозовую зависимость изменения порогового напряжения МОП структуры оказывает характер полевой зависимости сечения захвата для дырок и концентрация объемных и поверхностных ловушек.
Прогноз радиационной стойкости МОП структуры по начальному участку дозовой зависимости изменения порогового напряжения не является достоверным. Деградация статических характеристик кремниевых МОП
структур в радиационных полях низкой интенсивности может быть оценена с помощью методики, основанной на анализе экспериментальных дозовых зависимостей составляющих порогового напряжения при большой мощности дозы радиации и экспериментальных зависимостей изотермической релаксации этих составляющих при различных температурах. 5. Моделирование процессов деградации МОП структур под действием ИИ различной интенсивности возможно с помощью разработанного программного обеспечения.
Структура и объем диссертации
