Введение к работе
Актуальность темы.
Функционирование современных интегральных схем (ИС), выполненных по технологии металл-окисел-полупроводник (МОП) и предназначенных для работы в условиях воздействия внешних дестабилизирующих факторов, определяется процессами, происходящими в приповерхностном слое полупроводника, на границе раздела полупроводник-диэлектрик и в диэлектрическом слое. Повышение степени интеграции ИС ведет к возрастанию роли поверхности и требует более углубленного анализа влияния внешних факторов различной природы на ее свойства.
Одним из таких факторов является ионизирующее излучение (ИИ). Вопрос дефектообразования в МОП структурах под действием ИИ достаточно освещен в литературе (например [1,2]). Тем не менее, некоторые полученные в рамках данной работы экспериментальные результаты, такие, как формирование термостабильного радиационного заряда в окисле МОП структуры, содержащем примесь фосфора, коррелированное изменение заряда в окисле и на поверхностных состояниях (ПС) границы раздела полупроводник-окисел, и другие не вписываются в рамки известных представлений и требуют привлечения новых физических моделей для их объяснения и интерпретации. Разработки технологических процессов с использованием ионизирующих излучений, решение проблем оценки радиационной стойкости МОП ИС потребовали количественного описания процессов накопления и релаксации радиационного заряда в МОП структурах с учетом глубоких ловушечных уровней примесных центров в окисном слое, что определяет актуальность данного направления работы.
Сложность анализа поверхностных радиационных эффектов в полупроводниках и МОП структурах состоит в том, что наблюдаемые изменения электрофизических параметров являются интегральным результатом дефектообразования, происходящего по разным механизмам в полупроводнике, диэлектрике и на границе их раздела. Для корректной интерпретации экспериментальных результатов требуется проведение комплексного исследования, обеспечивающего возможность независимого контроля и разделения процессов образования дефектов в различных слоях. Комплексный подход к исследованию подразумевает совместное использование набора прецизионных электрофизических методов исследования дефектообразования в полупроводниковых подложках, диэлектрических слоях ' и" границах раздела полупроводник-диэлектрик в исследуемых структурах. Другая проблема заключается в том, что наблюдаемые радиационные эффекты проявляются по-разному в зависимости от технологии формирования тестовых структур. Конкретные проявления во многом зависят и от характеристик самих тестовых объектов, на которых проводятся исследования. Это определяет актуальность адаптации известных электрофизических методов исследования для конкретных тестовых объектов и решения задачи разделения эффектов воздействия ионизирующих излучений на диэлектрик и границу раздела полупроводник-диэлектрик в
МОП структурах с учетом планарной неоднородности распределения поверхностного потенциала полупроводника, краевых эффектов, геометрии тестовых структур.
Непосредственная зависимость поверхностного потенциала полупроводника от локализованного в окисном слое заряда делает актуальной задачу анализа пространственного распределения этого заряда. Для решения этой задачи потребовалось провести моделирование фотоэмиссионных процессов в диэлектрике облученной МОП структуры с радиационным зарядом, с учетом двух эмитгирующих границ и наличием захвата фотоэмиттированных носителей заряда и разработать методы исследования пространственного распределения заряда в диэлектрических слоях облученных ионизирующим излучением МОП структур по токам внутренней фотоэмиссии.
В последнее время проявляется повышенный интерес к исследованию воздействия на немагнитные полупроводниковые кристаллы импульсных электромагнитных полей (ИМП) (например [3,4]). В отличие от ИИ, которое действует, главным образом на слой диэлектрика и границу раздела диэлектрик-полупроводник, ИМП действует на полупроводниковый кристалл, изменяя физико-химические свойства его поверхностных слоев. Вместе с тем, в обоих случаях, и в результате воздействия ИМП, и при воздействии ИИ наблюдаются долговременные изменения структуры и свойств полупроводниковых кристаллов и МОП структур, хотя и протекают эти изменения по разным механизмам. Исследование физических процессов, протекающих в многослойных структурах на основе полупроводников, под действием ИМП необходимо для решения задач возможного их использования в технологических процессах для выявления потенциально ненадежных элементов ИС, направленной модификации материалов и приборных структур, а также для решения задач противодействия намеренным дестабилизирующим воздействиям подобных факторов.
Данная работа выполнена в рамках х/д НИР ВГУ №№ НИЧ 116/91; НИЧ 96/93; НИЧ-99; 4113/306-2005.
Цель работы состояла в установлении основных закономерностей воздействия ионизирующих излучений и импульсных магнитных полей на поверхность полупроводников, границу раздела полупроводник-диэлектрик и диэлектрик МОП структур.
В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие задачи исследования.
Экспериментальные исследования воздействия радиации на полупроводники и МОП структуры, релаксационных процессов в облученных МОП структурах и интерпретация полученных результатов.
Исследование фотоэмиссионных процессов в облученных МОП структурах. Разработка фотоэмиссионных методов определения пространственного распределения радиационно-индуцированного объемного заряда в диэлектрике МОП структуры.
Экспериментальные исследования воздействия импульсных электромагнитных полей на полупроводники и МОП структуры и интерпретация полученных результатов.
Разработка комплекса прецизионных методов исследования дефектообразо-вания в МОП структурах для разделения эффектов воздействия ионизирующих излучений на полупроводник, границу раздела полупроводник-диэлектрик и диэлектрик МОП структуры с учетом планарной неоднородности распределения поверхностного потенциала полупроводника и геометрии исследуемых структур и создание оборудования для его реализации.
Научная новизна.
Построенная модель МОП структуры, учитывающая наличие собственных и примесных дефектов в слое двуокиси кремния и поверхностных состояний на границе окисла с полупроводником, адекватно описывает экспериментальные результаты исследований процессов накопления радиационного заряда в диэлектрике при воздействии ионизирующих излучений и последующей его релаксации.
Обнаружен и интерпретирован эффект аномально высокой генерации поверхностных состояний на границе подзатворного окисла с подложкой в МОП структурах с поликремниевыми затворами при последовательном воздействии ультрафиолетового и рентгеновского излучений, связанный с повышенным содержанием водорода на границе поликремния с окислом.
Впервые прямым образом по исследованию спектров DLTS наблюдался эффект уменьшения концентрации исходных дефектов в кристаллах кремния и арсенида галлия в результате воздействия малых доз гамма-излучения.
На основе проведенного моделирования фотоэмиссионных процессов в диэлектрике облученной структуры poly-Si-SiC>2-Si с радиационным зарядом с учетом двух эмитирующих границ и наличием захвата в диэлектрике фото-эмиттированных носителей заряда решена обратная задача анализа пространственного распределения локализованного заряда в окисле по полевым и спектральным зависимостям фотоэмиссионного тока.
Обнаружены эффекты долговременного изменения структуры и физико-химических свойств поверхности полупроводниковых кристаллов в результате воздействия ИМП: немонотонное изменение сорбционной способности поверхности кристаллов кремния, германия, арсенида галлия, повышение химической активности поверхностных слоев кристаллов фосфида индия, сопровождающиеся изменением топологии поверхности.
Обнаружен эффект изменения спектра DLTS поверхностных электронных состояний в кристаллах арсенида галлия в результате воздействия импульсного магнитного поля.
Практическая значимость. 1. Разработанный метод нестационарной спектроскопии поверхностных со- стояний в режиме постоянного подпорогового тока МОП транзистора (МОПТ) позволяет исследовать энергетический спектр ПС в обеих половинах запрещенной зоны полупроводника непосредственно в тестовом транзи-
сторе МОП ИС. Метод обладает повышенной чувствительностью за счет собственного усиления в исследуемом транзисторе при регистрации нестационарной перезарядки ПС.
Применение автогенераторного варианта измерения высокочастотной емкости в методе DLTS, позволяющее повысить достоверность определения параметров глубоких уровней (ГУ) за счет регистрации семейства характеристик изотермической релаксации емкости в широком температурном интер-" вале, и использование преобразования Лапласа для обработки релаксационных кривых обеспечивают прецизионное определение параметров дефектов и типа их симметрии по расщеплению сигнала DLTS при нагрузках на кристалл много меньших его предельной прочности, что принципиально упрощает практическую реализацию метода.
Совместный анализ полевых и спектральных характеристик токов внутренней фотоэмиссии позволяет определять профиль радиационного заряда в диэлектрике облученной МОП структуры. Анализ семейства спектральных характеристик фотоэмиссионного тока МОП структуры, измеренных при различных напряжениях на электроде, позволяет определять распределение заряда захваченных в окисле электронов.
Совместное использование методов токов накачки заряда и стационарных вольтамперных характеристик (ВАХ) позволяет разделить эффекты воздействия ионизирующих излучений на диэлектрик и границу раздела полупроводник-диэлектрик в транзисторной МОП структуре с учетом эффектов короткого канала и планарной неоднородности распределения поверхностного потенциала полупроводника.
Обнаруженные эффекты воздействия ионизирующих излучений на полупроводники: формирование термостабильного радиационного заряда в содержащем примесь фосфора диэлектрике МОП структуры воздействием ионизирующего излучения, выявление повышенного содержания водорода на границе затвор-окисел последовательным воздействием ультрафиолетового и рентгеновского излучений, повышение радиационной проводимости слоев двуокиси кремния в результате радиационно-термических воздействий, коррелирующее с повышением радиационной чувствительности МОП структур, могут составить физическую основу технологических методов управления поверхностным потенциалом полупроводника и прогнозирования радиационной стойкости МОП ИС.
Обнаруженные эффекты воздействия ИМП на полупроводники: низкотемпературное геттерирование в полупроводниковых кристаллах и модификация физико-химических свойств поверхности кристаллов полупроводников воздействием ИМП являются основой для разработки новых технологических процессов, в том числе, выявления латентных технологических дефектов в МОП ИС, низкотемпературного геттерирования в кремнии, повышения качества окисных пленок, полученных на кристаллах фосфида индия, предварительно обработанных ИМП.
Положения, выносимые на защиту:
Воздействие ионизирующего излучения на структуру /jo(y-Si-Si02(P)-Si приводит к образованию термостабильного радиационного заряда, обусловленного зарядом ионизированных атомов фосфора, изоморфно замещающих атомы кремния в кислородных тетраэдрах. Радиационно-термические эффекты в структуре /7o/y-Si-Si02(P)-Si могут быть адекватно описаны на основе модели с двумя ловушечными уровнями, учитывающими собственные и примесные дефекты в Si02, и поверхностными состояниями на границе окисла с полупроводником.
Последовательное воздействие ультрафиолетового и рентгеновского излучений на структуры /»o/y-Si-Si02(P)-Si с повышенным содержанием водорода на границе окисла с поликремнием приводит к аномально высокой генерации поверхностных состояний на границе подзатворного окисла с подложкой.
Воздействие гамма-излучения Со в диапазоне до 104 Р для кристаллов кремния и до 5-10 Р для кристаллов арсенида галлия приводит к уменьшению концентрации исходных дефектов с глубокими уровнями, регистрируемыми по спектрам DLTS.
Воздействие ИМП на полупроводниковые кристаллы приводит к долговременным немонотонным изменениям их структуры и физико-химических свойств поверхностных слоев: необратимому изменению спектра ГУ, соответствующих поверхностным электронным состояниям в кристаллах GaAs; изменению сорбционной способности поверхности кристаллов Si, Ge и GaAs; повышению химической активности поверхностных слоев кристаллов InP, которая проявляется в увеличении скорости низкотемпературного химического окисления; изменению топологии поверхности исследуемых материалов; проявлению эффекта низкотемпературного гетгерирования в кристаллах Si, AmBv, твердых растворах Sb-As и Sb-As-Ge.
Автогенераторный вариант метода измерения высокочастотной емкости в методе DLTS с использованием преобразования Лапласа, обеспечивает измерение релаксации емкости с относительным разрешением АС/С до 10", и позволяет не менее чем на порядок по сравнению с предельной прочностью кристалла снизить величину давления на кристалл, необходимого для определения типа симметрии дефекта по расщеплению сигнала DLTS.
Профиль радиационного заряда, захваченного на ловушечные уровни в окисле облученной МОП структуры, может быть определен по полевым и спектральным характеристикам токов внутренней фотоэмиссии. Распределение заряда захваченных в окисле электронов может быть получено из анализа семейства спектральных характеристик фотоэмиссионного тока, измеренных при различных напряжениях на электроде.
Апробация работы. Ниже перечислены конференции, семинары и совещания, на которых представлялись результаты работы.
Всесоюзный научно-технический семинар «Радиационная технология в производстве интегральных схем» (Воронеж, 1988); III Всесоюзная конференция «Моделирование отказов и имитация на ЭВМ статистических испытаний ИМС и их элементов» (Суздаль, 1989); XIV семинар «Радиационная физика полупроводников» (Новосибирск, 1989); V Всесоюзное совещание «Математическое моделирование приборов микроэлектроники» (Новосибирск, 1989); Проблемный семинар «Примеси, дефекты и деградационные явления в полупроводниковых материалах и приборах» (Ленинград, 1989, 1991); Международное совещание «Ядерная спектроскопия и структура атомного ядра» (Ташкент, 1989; Ленинград, 1990; Алма-Ата, 1992; Белгород, 2004); IV и V Международные научно-технические конференции «Электроника и информатика» (Москва, 2002, 2005); Международная научно-техническая конференция "Тонкие пленки и слоистые структуры" (Москва, 2002); IX, X, XI и XII Международные научно-технические конференции «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2003, 2004, 2005, 2006); V международная конференция «Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов» (Воронеж, 2003); Международная научно-практическая конференция «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (Москва 2003, 2006); Международная научно-техническая школа-конференция «Межфазная релаксация в полиматериалах» (Москва, 2003); V и VII Международные научно-технические конференции «Кибернетика и технологии XXI века» (Воронеж, 2004, 2006); Международные научные конференции "Тонкие пленки и наноструктуры" (Москва, 2004, 2005); III Всероссийская конференция «Физико-химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах. Фагран-2006» (Воронеж, 2006).
Публикации. По результатам исследований, представленных в диссертации, опубликовано 79 печатных работ, в том числе 36 статей, 22 доклада и 19 тезисов докладов на научных и научно-технических конференциях, совещаниях, семинарах, 1 патент РФ.
В совместных работах автору принадлежит разработка методик проведения исследований, постановка и проведение экспериментов, анализ и обобщение полученных результатов, написание статей. Ряд исследований проведен с участием аспирантов, защитивших кандидатские диссертации, у которых автор являлся соруководителем (Макаренко В.А., Каданцев А.В.).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы. Объем диссертации составляет 323 страницы машинописного текста, включая 129 рисунков. Список литературы содержит 342 наименования.
