Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Радиационные эффекты, планарная неодородность и методы их исследования в МДП структурах 10
1.1. Радиационное дефектообразование в системе Si-Si02 10
1.1.1. Природа и механизмы образования радиационных дефектов 10
1.1.2. Физико-математическая модель накопления радиационно-индуцированного заряда 14
1.2. Радиационные эффекты в МДП структурах 21
1.2.1. Влияние ионизирующей радиации на структуру Si-Si02 21
1.2.2. Влияние радиационного воздействия на электрические параметры МДП транзисторов 25
1.3. Планарная неоднородность МДП структур 29
1.3.1. Причины и физические модели планарной неоднородности 29
1.3.2. Радиационно-стимулированная неоднородность 33
1.4. Методики исследования радиационных эффектов и планарной неоднородности в МДП структурах 35
1.4.1. Емкостные методики 35
1.4.2. Методика подпороговых вольт-амперных характеристик 38
1.4.3. Бесконтактные методики с использованием зонда Кельвина 41
Цели и задачи 46
ГЛАВА 2. Влияние планарной зарядовой неоднородности и ионизирующего излучения на свойства МДП структур 47
2.1. Методы исследования и экспериментальные установки 47
2.1.2. Метод высокочастотных вольт-фарадных характеристик 53
2.2. Методика моделирования вольт-фарадных характеристик планарно-неоднородных МДП структур 55
2.3. Подготовка образцов и условия проведения эксперимента 62
2.4. Экспериментальные результаты и их обсуждение 63
2.4.1. Влияние радиационного излучения на неоднородность параметров структуры Si-Si02 63
2.4.2. Влияние радиационного излучения на зарядовые свойства структуры Si-Si02 71
Выводы к главе 2 80
ГЛАВА 3. Влияние радиационного воздействия на электрические параметры МОП транзисторов 82
3.1. Условия проведения эксперимента 83
3.2. Методика расчета параметров МДПТ 83
3.3. Экспериментальные результаты и их обсуждение 85
Выводы к главе 3 92
ГЛАВА 4. Кинетика релаксации радиационного заряда в МДП структуре 93
4.1 Механизмы релаксации радиационно-индуцированного заряда 93
4.2. Математическая модель релаксации радиационного заряда 98
4.3. Результаты моделирования и их обсуждение 102
Выводы к главе 4 109
Заключение 110
Список литературы 112
- Физико-математическая модель накопления радиационно-индуцированного заряда
- Методика моделирования вольт-фарадных характеристик планарно-неоднородных МДП структур
- Экспериментальные результаты и их обсуждение
- Математическая модель релаксации радиационного заряда
Введение к работе
Актуальность темы. Расширение областей применения изделий электронной техники, внедрение радиационных технологий привело к необходимости создания радиационно-стойкой радиоэлектронной аппаратуры. В основе решения этой проблемы лежит изучение влияния радиации на параметры МДП структур и приборов на их основе. Поверхностные свойства полупроводников и, соответственно, характеристики приборов (пороговое напряжение, крутизна, генерационные токи и т.д.) весьма существенно изменяются под воздействием ионизирующего излучения (ИИ). При рассмотрении процессов, происходящих в полупроводниковых приборах под действием радиации правильно разделять механизмы изменения характеристик, связанные с явлениями в объеме и на поверхности. Во время облучения МДП структур происходит накопление заряда в диэлектрике, генерация поверхностных состояний (ПС) на границе раздела диэлектрик - полупроводник (ДП) и рост крупномасштабных зарядовых флуктуации. Поэтому методы, разработанные для исследования однородных МДП структур, оказываются недостаточно адекватными для контроля электрофизических параметров структур, отличающихся неоднородным распределением поверхностного потенциала. Учет неоднородности при оценке радиационного воздействия на МДП приборы позволяет повысить точность контроля их важнейших параметров: энергетического спектра ПС, эффективного поверхностного заряда, порогового напряжения и др. Вопрос о механизме релаксации радиационного заряда в окисле после прекращения ионизирующего воздействия является также актуальной задачей. Разработанные в последние годы методы диагностики электрического поля в диэлектриках делают разумной следующую постановку вопроса - по результатам экспериментального исследования и моделирования процессов релаксации заряда получить новую информацию о процессах и механизмах его переноса.
Актуальность темы диссертации, таким образом, определяется как потребностью в решении задач обеспечения радиационной стойкости приборов и разработки новых радиационных технологий, так и необходимостью адекватного физического описания и моделирования процессов, на которых основаны радиационно-технологические операции управления параметрами МДП приборов.
Цель работы: комплексное экспериментальное исследование и моделирование влияния ионизирующего излучения и планарной зарядовой неоднородности на электрофизические свойства кремниевых МДП структур.
В соответствии с целью были сформулированы следующие задачи:
Разработка методик контроля планарной неоднородности и важнейших электрофизических параметров МДП структур с учетом их неоднородности.
Изучение влияния планарной неоднородности на электрофизические параметры и характеристики МДП структур.
Изучение влияния радиации на электрофизические свойства и характеристики МДП структур и МДП транзисторов с учетом планарной неоднородности.
Моделирование воздействия ионизирующего излучения на зарядовые свойства диэлектрика в кремниевых МДП структурах.
Объекты и методы исследования. Исследовались структуры ДП и МДП на основе кремниевых пластин п- и р- типа проводимости (марки КЭФ-4.5 и КДБ-12 соответственно) диаметром 100 мм, с ориентацией (100). Диэлектрический слой создавался двумя способами: термическим окислением кремния в атмосфере сухого кислорода и пирогенным окислением. Толщина окисла составляла 45 нм и 68 нм. Металлические электроды площадью 0,44 мм2 создавались термическим напылением алюминия. В качестве ионизирующего излучения использовались гамма-кванты с энергией Е ~ 1.2 МэВ, дозой 106 Рад. Излучателем служил стандартный источник гамма-квантов Со60 . Влияние ИИ на степень планарной неоднородности и электрофизические характеристики структур исследовалось методами динамического конденсатора с использованием зонда Кельвина и высокочастотных (ВЧ) вольт-фарадных характеристик (ВФХ).
Тестовые МДП транзисторы (МДПТ) представляли собой р-канальные приборы с длиной канала 5 мкм, толщиной подзатворного окисла d =120 нм и концентрацией легирующей примеси в подложке Nsub = 1017 см"3. Образцы облучались рентгеновскими квантами с энергией Е « 25 кэВ и дозой D < 106 Рад (Si) на установке ИРИС-МЗ. Результаты воздействия ИИ на МДПТ оценивались по изменению передаточных и выходных вольт-амперных характеристик (ВАХ).
Научная новизна.
1. Разработан новый бесконтактный способ контроля планарной неоднородности структуры ДП методом вибрационного динамического конденсатора (ВДК).
Впервые, путем непосредственного измерения потенциального рельефа границы раздела ДП, установлено, что флуктуации потенциала носят случайный характер и основной вклад в эти флуктуации дают флуктуации заряда в окисле.
Разработана методика моделирования ВФХ МДП структуры, позволяющая учесть наличие флуктуации потенциала полупроводника в расчетах энергетического спектра ПС и других электрофизических параметров структуры.
Впервые проведено комплексное исследование влияния ИИ на потенциальный рельеф границы раздела ДП, параметры и характеристики МДП структуры, позволившее независимо оценить как зарядовые, так и флуктуационный механизмы деградации этой структуры.
Впервые методом стационарных подпороговых ВАХ МДПТ проведено независимое определение плотности ПС, заряда в диэлектрике и его дисперсии. Исследовано влияние ИИ на параметры и характеристики МДПТ.
6. Предложена новая двухуровневая модель релаксации радиационно -индуцированного заряда, обусловленной процессами туннелирования электронов из кремниевой подложки и термоэмиссии захваченных дырок в валентную зону.
На защиту выносятся следующие положения:
Бесконтактный способ контроля потенциального рельефа границы раздела ДП с использованием зонда Кельвина позволяет установить характер и статистические параметры распределения потенциала по площади структуры, включая его изменения, вызванные радиационным воздействием.
Флуктуации потенциала кремниевых структур носят случайный характер и основной вклад в эти флуктуации дают флуктуации заряда окисла.
3. Разработанная методика моделирования ВФХ планарно- неоднородной МДП структуры, позволяет учесть наличие флуктуации поверхностного потенциала полупроводника и существенно повысить точность расчетов энергетического спектра ПС и других электрофизических параметров структуры.
Отклик кремниевой МДП структуры на радиационное воздействие зависит от способа оксидирования кремния. Различие связано с различным содержанием в термическом и пирогенном Si02 водорода и продуктов разложения воды.
При оценке радиационной стойкости и надежности МДП приборов необходим учет как зарядового, так и флуктуационного механизмов их деградации. Независимое определение плотности ПС, заряда в диэлектрике и его дисперсии на готовых МДПТ позволяет метод стационарных подпороговых токов.
Релаксация радиационного заряда, обусловленная процессами туннелирования электронов из кремниевой подложки и термоэмиссии захваченных дырок в валентную зону, достаточно адекватно описывается двухуровневой моделью.
Практическая значимость результатов. Разработанная методика контроля планарнои однородности зарядовых свойств структуры ДП методом ВДК дает возможность прогнозирования радиационной стойкости МДП приборов и отбраковки пластин на начальной стадии процесса их изготовления, то есть до формирования затворов. Учет неоднородного распределения поверхностных параметров при расчете теоретических ВФХ позволяет существенно повысить точность контроля электрофизических-параметров МДП структуры. Разработанная методика определения флуктуационного и поверхностных параметров планарно-неоднородного МДП транзистора по его выходным и передаточным ВАХ в области слабой инверсии позволяет контролировать указанные параметры при воздействии ИИ.
Личный вклад автора. Основные экспериментальные данные, включенные в диссертацию, получены лично автором или при его непосредственном участии. Автором выполнен анализ и интерпретация полученных результатов. Сформулированы выводы и научные положения, выносимые на защиту.
Апробации работы. Основные положения диссертационной работы были представлены в виде докладов и обсуждались на: - X, XI, XII Международных научно-технических конференциях «Радиолокация, навигация, связь», Воронеж, 2004 г., 2005 г. и 2006 г., соответствен но; XXXV Международном научно-техническом семинаре «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах», Москва, 2004 г.; V Международной научно-технической конференции «Кибернетика и технологии XXI века». Воронеж, 2004 г.; V Международной научно-технической конференции «Электроника и информатика», Москва, 2005 г.;
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 5 статей в реферируемых журналах и 7 в материалах научно-технических конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Объем диссертации составляет 122 страницы текста, включая 39 рисунков. Список литературы состоит из 101 источника.
Физико-математическая модель накопления радиационно-индуцированного заряда
Радиационно - индуцированный заряд в диэлектрике бывает двух видов: подвижный и неподвижный. Подвижный заряд обусловлен наличием в диэлектрике таких ионов как Na+, ІҐ и др., которые могут перемещаться в эклектических полях при повышенных температурах. Неподвижный заряд обусловлен существованием в диэлектрике дырочных ловушек, связанных с внутренними структурными нарушениями. В настоящее время отсутствует общепринятая модель накопления заряда и генерирования поверхностных состояний на границе полупроводник диэлектрик в результате облучения МДП приборов ионизирующем излучением. Трудность создания такой модели состоит в сильной зависимости радиационного воздействия от параметров технологического процесса [12]. Другая трудность заключается в разделении заряда в диэлектрике или на поверхности раздела при вольт-ёмкостных измерениях или измерении порогового напряжения [13]. Поверхностные состояния на границе раздела диэлектрик - полупроводник оказывают существенное влияние на рабочие характеристики практически всех полупроводниковых приборов на основе МДП структур. Этим объясняется большое внимание, которое уделяется изучению энергетического спектра поверхностных состояний, сечений захвата и т.д.
Согласно модели Гроува-Сноу [14] под действием ионизирующего излучения в диэлектрике МОП структуры происходит генерация электронно-дырочных пар, разделение этих пар электрическим полем, уход более подвижных носителей - электронов из окисного слоя в электроды и захват менее подвижных носителей - дырок на ловушечные центры в диэлектрике. Процесс дырочного захвата продолжается до компенсации напряженности внешнего электрического поля, полем накапливаемого объёмного заряда Q0, и прекращения разделения результирующим электрическим полем электронно-дырочных пар, генерируемых излучением. На основе этой модели Митчелл [1.5,16] дал первое аналитическое описание процесса образования заряда в диэлектрике МОП структуры, дополнительно предположив, что накопленный при облучении дырочный заряд Qot равен заряду электронов, ушедших из окисла. Такой подход позволил объяснить экспериментально наблюдаемые эффекты насыщения дозовой зависимости захваченного дырочного заряда Qot(D), где D -поглощенная доза, и увеличения этого заряда при повышении напряжения на облучаемой МОП структуре. Принципиальным недостатком работы Митчелла явилось то, что анализ накопления радиационного заряда не включал в рассмотрение микроскопические характеристики центров дырочного захвата.
Многочисленные исследования были проведены по сопоставлению воздействия на МОП структуры высокоэнергетичных гамма-квантов {Еу 1,25 МэВ, Со60) и низкоэнергетичных рентгеновских лучей {Ех 10-60 КэВ). Гамма-кванты вызывают генерацию пар, обладающих большей энергией и, следовательно, имеющих большую вероятность разделения полем. С другой стороны, низкоэнергетические рентгеновские лучи вызывают так называемый "эффект усиления дозы", то есть генерацию дополнительных электронно-дырочных пар в диэлектрическом слое МОП структуры за счёт эмиссии в него высокоэнергетичных электронов из электродов, содержащих элементы с большим порядковым номером. Этот эффект характеризуется коэффициентом усиления дозы Rde и проявляется сильнее при рентгеновском облучении из-за большего сечения фотоэффекта по сравнению с высокоэнергетическими гамма-квантами. Экспериментальное значение R(i/R e = 1,7 для структуры po\y-Si-Si02-Si с толщиной окисла 100 нм позволяет оценить масштаб эффекта. В структурах силицид-5ї-5/02-7 эффект усиления дозы значительно сильнее. Поскольку реально поглощённая в окисном слое МОП структуры доза определяется произведением kgfyRj Do, соотношение для пересчёта доз при рентгеновском и гамма-облучениях имеет вид: где Dor,Do% и к/ kg - поглощённые дозы (no SYO ) и коэффициенты генерации пар при у- и х облучениях, соответственно. Из соотношения (1.6) следует, что у-воздействие более эффективно при облучении МОП структур без смешения на затворе, поскольку fyr fyx, а рентгеновское воздействие - при облучении под напряжением, когда fyx &f/ и различие в эффективности воздействия определяется отношением Параметры, характеризирующие кинетику накопления радиационного заряда Qot, а именно коэффициент генерации kg, вероятность разделения пар fy(E) и коэффициент усиления дозы Rde могут быть определены из анализа радиационно-индуцированного тока в облучаемой МОП структуре. Плотность этого тока определяется темпом генерации свободного заряда в диэлектрическом слое: где и = мгновенная мощность радиационной дозы. dt Параметры, входящие в правую часть уравнения (1-7), экспериментально определяются следующим образом. Измеряются ВАХ радиационно-стимулированного тока в МОП структурах с разными толщинами диэлектрика d и строятся зависимости (j cxdD)-E \ аппроксимация которых к Г =0 даёт значение kgRje, поскольку fy(E)—Е 1. С учётом того, что усиление дозы в толстом диэлектрике отсутствует (Rje l), найденное значение произведения kgRje может быть использовано для определения параметра kg при аппроксимации величины (j dD) значению при d =0.
Методика моделирования вольт-фарадных характеристик планарно-неоднородных МДП структур
Рабочий стол предназначен для закрепления на нем анализируемой.... полупроводниковой пластины диаметром 100 или 150 мм. Зондовое устройство представляет собой электромагнитный вибратор, состоящий из подвижного цилиндра, закрепленного на растяжках в корпусе с магнитной системой. На цилиндре расположена катушка вибратора 1.2. К концу цилиндра прикреплен измерительный зонд, выполненный из платины, и имеющий плоский торец диаметром d = 100 н- 30 \т. Торец зонда отполирован, очищен и термически обработан. Этим достигается постоянство во времени работы выхода материала зонда. Зонд калибруется по материалу с известной работой выхода: ртути или графиту. В процессе измерения зонд совершает колебательные движения с амплитудой 5цм над поверхностью образца. Частота колебаний определяется конструктивными параметрами зондовой головки и для конкретной реализации прибора составляет 800 Hz [75]. Расстояния между вибрирующим зондом и анализируемой поверхностью d0 « 0.1 d. Это расстояние поддерживается постоянным с точностью ± 1 /ш в процессе перемещения зонда над исследуемой поверхностью при измерении ее рельефа в пределах ± 25 /ш. Скорость перемещения зонда над поверхностью образца 4 мм сек 1, диапазон измерений контактной разности потенциалов (КРП) составляет ± 5 В. В зондовую головку встроено устройство коронного разряда, позволяющее заряжать исследуемую поверхность положительным или отрицательным зарядом, и оптическое устройство для освещения поверхности до достижения предельного выпрямления энергетических зон полупроводника. Генератор низкой частоты 5 формирует электрический сигнал синусоидальной формы VCLF частотой 800 Hz (сигнал раскачки зонда), который через усилитель мощности 4 поступает на катушку вибратора 1.2 и обеспечивает колебательные движения зонда заданной частоты и амплитуды. Кроме этого генератор формирует сигнал прямоугольной формы с регулируемым сдвигом фазы V/ для обеспечения работы синхронного детектора модуля компенсации. Генератор высокой частоты 6 формирует сигнал VQHF частотой 500 kHz, необходимый для работы модуля слежения, обеспечивающего автоматическое поддержание расстояния d0 между зондом и исследуемой поверхностью.
Предварительный усилитель 2 имеет два канала и служит для селективного усиления низкочастотной составляющей измерительного сигнала и высокочастотной составляющей сигнала, на котором работает следящая система. Разъем VB, конструктивно расположенный на плате предварительного усилителя, служит для подачи в электрическую цепь рабочего стола напряжения, предназначенного для калибровки прибора или изменения рабочего диапазона измерения напряжения компенсации V& в случае выхода величины КРП за пределы рабочей области прибора.
Модуль слежения предназначен для формирования управляющего сигнала VL, обеспечивающего заданную величину зазора между зондом и образцом. Усилитель мощности формирует сигнал, подаваемый на катушку магнитоэлектрической системы вибратора зонда для управления амплитудой его колебаний и величиной зазора. Модуль компенсации служит для формирования постоянного напряжения компенсации Ус, равного по величине значению контактной разности потенциалов между локальным участком анализируемой поверхности и измерительной поверхностью зонда.
Измеритель работает следующим образом. В результате колебательного движения зонда, при наличии в зазоре электрического поля, в его цепи протекает ток смещения, имеющий две составляющие. Величина низкочастотной составляющей частотой 800 Hz (частота колебаний зонда) определяется потенциалом исследуемой поверхности, а высокочастотной (частотой 500 kHz) - отклонением от заданного значения зазора между зондом и исследуемым образцом. Каждая из этих составляющих усиливается предварительным усилителем. Высокочастотная составляющая .. сигнала VHF С выхода предварительного усилителя поступает на вход модуля слежения, где усиливается резонансным LC усилителем 3.1 и детектируется амплитудным детектором 3.2. На выходе амплитудного детектора формируется напряжение, практически линейно связанное с величиной VHF И обратно пропорциональное величине зазора зонда. Это напряжение поступает на инвертирующий вход интегратора модуля слежения 3.3, на неинвертирующий вход которого подается опорное напряжение VRj, задающее величину рабочего зазора зонда с помощью регулятора R3. Разница этих напряжений усиливается операционным усилителем 3.3, на выходе которого формируется сигнал слежения VL
Сигнал слежения VL на выходе усилителя мощности суммируется с сигналом раскачки вибратора зонда VR4, величина которого задается с помощью регулятора R4 установки амплитуды вибрации зонда. На выходе усилителя мощности, нагруженного на катушку вибратора, формируется напряжение V(t), представляющее собой сумму постоянной составляющей напряжения слежения и составляющей раскачки зонда: V(t) = V. + PL, где V. иК.- постоянная и гармоническая составляющие сигнала V(t). Величина V. предназначена для стабилизации величины зазора зонда, величина PL задает амплитуду колебаний зонда.
При измерении величины зазора зонда система слежения формирует выходной сигнал таким образом, что меняется значение постоянной составляющей, протекающей в цепи катушки вибратора V., и, тем самым, компенсирует изменение зазора. Низкочастотная составляющая сигнала VLF с выхода предварительного усилителя поступает на вход активного полосового фильтра 7.1. Усиленный сигнал детектируется синхронным детектором 7.2, управляемым импульсами прямоугольной формы генератора низкой частоты (Р/). На выходе синхронного детектора формируется однополярный сигнал, полярность которого определяется соотношением величин работы выхода исследуемого образца и платинового зонда.
Экспериментальные результаты и их обсуждение
Основным результатом, который иллюстрируется этими зависимостями, является то, что исследуемое ионизирующее воздействие, наряду с накоплением радиационного заряда в окисном слое, приводит к значительному росту флуктуации поверхностного потенциала полупроводника, но дополнительной генерации ПС при этом не происходит. Следует отметить также корреляцию неоднородности потенциала поверхности полупроводника (параметра о) с существованием радиационно-индуцированного заряда в окисном слое Qot.
Обычно уменьшение наклона сток-затворных ВАХ после облучения связывается лишь с возрастанием плотности ПС [12-14].Однако рост плотности ПС с увеличением дозы облучения (кривая Г на рис.31) и обычно наблюдаемое U-образное распределение по энергиям низких плотностей ПС могут быть артефактами расчетов, введенными флуктуациями фиксированного заряда окисного слоя. Другими словами, если флуктуации не учитывать, то можно прийти к ошибочному выводу о росте плотности ПС независимо от вида облучения. Вместе с тем, проявление радиационных эффектов существенным образом зависит от характера радиационного воздействия [1, 15]. Поэтому при других видах облучения (или в комбинации с другими типами воздействий, таких как отжиг, ультрафиолетовое облучение и т.п.) возможным результатом радиационного воздействия может оказаться, например, увеличение плотности ПС, или одновременное возрастание и плотности ПС и степени неоднородности поверхностного потенциала (зарядовых флуктуации).
Представляет интерес оценка возможности возникновения наблюдаемых величин флуктуационного параметра а , вытекающая из существующих флуктуационных моделей [16 - 18]. Воспользуемся для этого простейшей конденсаторной моделью Гоэцбергера [16]. Эта модель лежит в основе теории планарно-неоднородного МОПТ и широко используется для интерпретации дисперсии времени перезарядки ПС при наличии в МОП структуре крупномасштабных технологических флуктуации. Именно такие флуктуации наблюдаются непосредственно в экспериментах со сканирующем ртутным зондом [19] или с помощью зонда Кельвина [20]. В модели Гоэцбергера МОП структура условно разбивается на большое количество микроплощадок (микроконденсаторов, соединенных параллельно), распределенных по общей площади структуры случайным образом. В пределах каждой площадки характеристики структуры (емкость, заряд, потенциал) считаются однородными. Линейный размер элементарной площадки должен быть больше глубины слоя пространственного заряда, причем в режиме обеднения МДП структуры величина элементарной площадки равна квадрату глубины обедненного слоя. Как показано в [19] и других работах во флуктуациях полного поверхностного заряда в кремниевых МОП структурах доминируют флуктуации фиксированного заряда окисла Qot. и, согласно общепринятому взгляду, заряд Qot и его флуктуации являются главной причиной флуктуации поверхностного потенциала в этих структурах. Поэтому, величину флуктуации потенциала поверхности полупроводника можно оценить по величине накопленного фиксированного заряда, т.е. числу радиационных дефектов в окисном слое МОП структуры. і Пусть N - среднее число дефектов в подзатворном окисле, приходящееся на характеристическую площадку А (А -площадь каждого микроконденсатора). Если N - большое число, то функция распределения структурных дефектов P(N), будет гауссовской аппроксимацией распределения Пуассона: 6) Число дефектов, приходящихся на характеристическую площадку и плотность встроенного заряда Qot связаны очевидным соотношением: N = AQot /q- Тогда, пользуясь соотношением вероятностей P(N)dN=P(Qot)dQot, получаем следующее выражение для функции распределения встроенного заряда Результаты расчета дозовой зависимости флуктуационного параметра а, выполненные в рамках модели Гоэцбергера (кривая 1 на рис. 32), хорошо согласуются с экспериментальными данными (кривая 1, рис. 32), что подтверждает, с одной стороны, модель [53], с другой стороны -теоретическую модель планарно-неоднородного МОПТ [42] и соответствующую методику расчета параметров МОП структуры, основанную на этой модели.
Таким образом, при крупномасштабных флуктуациях поверхностного потенциала, когда размер характеристической площадки превосходит ширину ОПЗ полупроводника, поверхностный потенциал Ys распределен по гауссовскому закону (3.8) со стандартным отклонением (3.9) и для корректного определения плотности поверхностных состояний и заряда в диэлектрике методом подпороговых ВАХ, необходим учет планарной неоднородности транзистора. Некоторое усложнение методики расчета поверхностных параметров МОП структуры компенсируется при этом существенным повышением точности контроля этих параметров и дополнительной возможностью определения флуктуации потенциала поверхности.
Математическая модель релаксации радиационного заряда
Было проведено моделирование процесса накопления радиационного заряда в диэлектрике при многократном повторении цикла облучение -отжиг. На рис. 37 показана кинетика этого процесса. Рассчитывалось воздействие 10-ти циклов облучение - отжиг с поглощенной дозой в 1-ом цикле D = 105 рад и последующим отжигом при температуре 700 К в течение 30 минут. Отмечается увеличение накопленного термостабильного радиационно-индуцированного заряда по сравнению с однократным воздействием цикла облучение - отжиг при одинаковых значениях полной поглощенной дозы. Этот эффект объясняется тем, что промежуточный отжиг освобождает диэлектрик МДП структуры от заряда, накопленного на мелких ловушечных уровнях, которые при последующем облучении не создают поля и не мешают накоплению положительного заряда на глубоких ловушечных уровнях, rs 3,5-10"
При стремлении длительности цикла «облучение - отжиг» к нулю в предельном случае получаем модель облучения при повышенной температуре. В данном случае любой положительный заряд, захваченный на мелких ловушечных уровнях, сразу же отжигается и процесс накопления радиационно-индуцированного заряда осуществляется только на глубоких ловушечных уровнях. На рис. 38 показана зависимость накопленного при температуре (кривая 1) и при ее отсутствии (кривая 2) положительного заряда от полной поглощенной дозы (участок I). На участке II показано последующее действие температуры на облученные образцы. Следует отметить, что при одновременном воздействии облучения и температуры значение накопленного заряда выше, чем при последовательном действии облучения и термического отжига, при одинаковых поглощенных доз.
Релаксация радиационно-индуцированного заряда в подзатворном диэлектрике под воздействием УФ-квантов ближнего спектра На рис. 39 показана зависимость значения радиационно-индуцированного заряда от поглощенной дозы (участок I) и от времени УФ облучения (участок III). Снижение до нуля захваченного положительно заряда под действием УФ облучения свидетельствует о полном восстановлении исходных значений концентраций ловушечных уровней в диэлектрике. В отличие от термических отжигов, воздействие УФ-излучения может обеспечить полное восстановление исходного зарядового состояния диэлектрика. При этом радиационный заряд остается термостабильным независимо от дозы УФ - излучения. Сохранение термостабильности после УФ - воздействия объясняется тем, что индуцированная этим воздействием надбарьерная фотоэмиссия электронов из валентной зоны кремния в зону проводимости SiC 2 приводит к захвату эмитируемых электронов на положительно заряженные Р04+-центры, лишь уменьшая величину радиационно-индуцированного заряда, не меняя его природу. Термостабильность, оставшейся после УФ-обработки, части радиационного заряда иллюстрируется участком IV рис. 39. Фотоэмиссионные электроны из подложки нейтрализуют положительный заряд на глубоких ловушечных уровнях не меняя природу самих ловушек.
Концентрация мелких ловушечных уровней N(= 5-10 см", концентрация глубоких ловушечных уровней N, = 5-Ю см , энергия УФ-квантов 6 эВ 1. Термическая релаксация накопленного дырочного заряда в диэлектрике обусловлена процессами туннелирования электронов из кремниевой подложки, а также процессами термоэмиссии захваченных дырок в валентную зону. Учет планарной неоднородности МДП структуры ведет к существенному снижению радиационно-индуцированного заряда в диэлектрике. 2. Эффект термической разрядки связан с наличием двух типов ловушечных уровней в диэлектрике МДП структуры. Упрощенная схема предполагает существование в диэлектрике МДП структуры ловушечных уровней только двух энергий (в середине запрещенной зоны и у дна запрещенной зоны) с равномерным распределением ловушек. Заряд, накопленный на ловушках у дна запрещенной зоны, может отжигаться за счет электронов из валентной зоны двуокиси кремния (отжигаемый уровень); заряд, накопленный на ловушках в середине запрещенной зоны, практически не отжигается (неотжигаемый уровень). Сечения захвата электронов и сечения захвата дырок для отжигаемого и неотжигаемого уровней одинаково зависят от напряженности электрического поля и не зависят от энергии ловушечного уровня. 3. Особым механизмом релаксации радиационного дырочного заряда является фотоэлектронная эмиссия из приповерхностной области подложки в подзатворный окисел под воздействием квантов с энергией меньше ширины запрещенной зоны Si02 (УФ кванты ближнего спектра). Облучение УФ квантами вызывает протекание надбарьерного фотоэмиссионного тока через диэлектрик МДП структуры. Прохождение излучения в подзатворную область обусловлено тем, что слои окисла в МДП структурах являются световодами для УФ квантов.
