Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2020, № 3, стр. 53-57

ВВЕДЕНИЕ

Диэлектрические пленки являются ключевыми компонентами во многих электронных приборах – начиная от полевых МДП-транзисторов (МДП – металл–диэлектрик–полупроводник) и заканчивая биполярными интегральными микросхемами. Воздействие ионизирующего излучения может приводить к значительному накоплению заряда в диэлектриках, что часто становится причиной деградации прибора и последующего его выхода из строя [1–11]. В условиях космического пространства (и других экстремальных условиях, например, в ускорителях высокоэнергетических частиц) облучение сильным потоком электронов и протонов может значительно уменьшать срок службы изделий вследствие эффекта полной дозы ионизирующего облучения [1–5]. За последние 30 лет было детально исследовано влияние полной дозы ионизирующего облучения на накопление заряда в диэлектрике [1–9]. Однако эти исследования в основном проводились либо в отсутствие электрических полей, либо в электрических полях слабее инжекционных. С уменьшением линейных размеров элементов современных микросхем все большее количество приборов может эксплуатироваться в сильных электрических полях, обеспечивающих инжекцию носителей заряда в диэлектрическую пленку. Следовательно, исследование процессов радиационной ионизации в МДП-структурах, находящихся в режиме сильнополевой инжекции электронов, вызывает большой научный и практический интерес. Особый интерес представляет контроль изменения зарядовых характеристик МДП-структур непосредственно в процессе воздействия ионизирующего излучения и сильнополевой инжекции электронов в диэлектрик, поскольку в этих режимах структуру можно использовать как сенсор радиационных излучений и контролировать с его помощью как интенсивность излучения, так и интегральную поглощенную дозу [12–16], существенно расширив его возможности по сравнению с сенсорами RadFET (Radiation sensing Field Effect Transistor).

В настоящей работе исследованы изменения зарядового состояния МДП-структур при одновременном воздействии сильнополевой туннельной инжекции электронов и радиационных излучений с учетом взаимодействия инжектированных электронов с дырками, захватываемыми в диэлектрической пленке вследствие протекания процессов радиационной и сильнополевой ионизации.

МОДЕЛЬ ИЗМЕНЕНИЯ ЗАРЯДОВОГО СОСТОЯНИЯ МДП-СТРУКТУР

Моделирование изменения зарядового состояния МДП-структур с термической пленкой SiO₂ при сильнополевой туннельной инжекции электронов в режиме поддержания постоянного тока, описываемой законом Фаулера–Нордгейма, и воздействии ионизирующих излучений проводили на основе системы уравнений [12, 17, 18], включающей: уравнение сдвига порогового напряжения в результате изменения зарядового состояния подзатворного диэлектрика

уравнение для плотности дырок, накапливаемых в пленке подзатворного диэлектрика при сильнополевой инжекции и радиационном облучении уравнение для плотности тока Фаулера–Нордгейма [12, 17] уравнение для плотности тока, создаваемого ионизирующим излучением [1–5] уравнение для количества поверхностных состояний, генерируемых при аннигиляции захваченных дырок инжектированными электронами [17] где V_th – напряжение, определяемое из характеристик C–V и соответствующее образованию инверсного канала; q – заряд электрона; εε₀ – диэлектрическая проницаемость диэлектрика; x_p – положение центроида (относительно границы Si–SiO₂) положительного заряда в SiO₂; n_it – количество поверхностных состояний; α – коэффициент ионизации в пленке SiO₂ при сильнополевой инжекции; σ_p – сечение захвата дырочных ловушек; N_p – плотность дырочных ловушек; σ_ep – сечение захвата заполненными дырочными ловушками инжектированных электронов (при аннигиляции части положительного заряда), имеющее полевую зависимость σ_ep = b₀E^–3, где b₀ – параметр модели; Y(E) – выход заряда при облучении (доля дырок, избежавших рекомбинации); K_g – количество электронно-дырочных пар на единицу дозы и объема SiO₂ (8 × 10¹² см^–3 · рад^–1); d_ox – толщина слоя оксида; I_rad – интенсивность облучения; γ_e–h – вероятность создания поверхностного состояния в результате электронно-дырочной рекомбинации. Ионизационный ток при воздействии радиационных излучений моделировали с помощью генератора тока. Систему уравнений (1)–(5) решали при следующих начальных условиях: p(0) = 0; $n_{{it}}^{{e - h}}$(0) = 0.

Коэффициент ионизации в пленке SiO₂ при сильнополевой инжекции (α) для исследуемых МДП-структур рассчитывали с использованием выражений, предложенных в [17, 18]. Моделирование проводили с учетом ранее полученных экспериментальных данных [12, 16] для МДП-структур, изготовленных на кремнии n-типа с термическими пленками SiO₂ толщиной 100 нм и алюминиевым затвором [12, 15, 16]. Такие МДП-структуры были изготовлены промышленным способом и были совместимы с технологией изготовления интегральных микросхем серии CD4000. Данная технология используется для изготовления сенсоров RadFET [13, 14]. Сильнополевые воздействия в основном рассматривали в режиме инжекции электронов из кремниевой подложки (положительное напряжение на затворе) при постоянном токе [19, 20]. Параметры модели, входящие в выражения (1)–(5), полагали равными: N_p = = 10¹³ см^–2; σ_р = 5 × 10^–14 см²; b₀ = 3 × 10^–13 МВ³/см.

РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Для большинства практических приложений, касающихся эксплуатации МДП-приборов или сенсоров RadFET, наибольший интерес представляет влияние протекающих зарядовых явлений на сдвиг порогового напряжения, описываемый формулой (1). Формула (1) учитывает два основных зарядовых процесса, которые наблюдаются при совместном воздействии радиационного излучения и сильнополевой туннельной инжекции электронов, описываемой законом Фаулера–Нордгейма, в диэлектрик из кремниевой подложки. Именно этот режим инжекции представляет наибольший интерес, поскольку положительное смещение на затворе стимулирует перемещение дырок к границе раздела с кремнием и увеличивает часть дырок, которую захватывают ловушки в диэлектрической пленке у границы раздела с кремнием [1, 12]. Второе слагаемое в уравнении (1) описывает накапливающийся заряд поверхностных состояний, который обычно учитывают при рассмотрении низкоинтенсивных радиационных излучений [6–8]. При радиационных излучениях большой и средней интенсивности заряд поверхностных состояний небольшой по величине, и его часто не принимают во внимание [1, 13, 14]. Однако в режиме сильнополевой инжекции электронов согласно результатам [12, 17, 18, 21, 22] необходимо учитывать процесс генерации поверхностных состояний в результате аннигиляции части захваченных дырок при взаимодействии с инжектированными электронами (уравнение (5)). Уравнение (2) описывает накопление дырок, генерируемых в пленке SiO₂ как в результате радиационной, так и сильнополевой ионизации. В качестве сильнополевой ионизации в основном рассматривают межзонную ударную ионизацию в пленке SiO₂ и инжекцию дырок из анода [11, 17, 18, 21]. Второе слагаемое в формуле (2) описывает процесс аннигиляции части захваченных в диэлектрике дырок в результате взаимодействия с инжектированными электронами. При дальнейших исследованиях в работе рассматривали радиационное излучение относительно большой интенсивности 10 рад/с, и поэтому количество поверхностных состояний в формуле (1) определялось только процессом аннигиляции захваченных дырок с инжектированными электронами и описывалось уравнением (5).

На рис. 1 показана рассчитанная с использованием предложенной модели временнáя зависимость плотности дырок, накапливающихся в подзатворном диэлектрике МДП-структуры при радиационном облучении и сильнополевой инжекции электронов при различной плотности тока. Как видно из рис. 1, при плотности инжекционного тока 10^–8 А/см² и в отсутствие радиационного излучения (кривая 2) практически не наблюдаются генерация и накопление дырочного заряда, что хорошо согласуется с литературными данными и результатами ранних исследований [11, 12, 18]. При совместном воздействии радиационного излучения и сильнополевой инжекции электронов при плотности тока 10^–8 А/см² плотность накапливаемых дырок описывается кривой 2  ' и определяется в основном процессом радиационной ионизации. Для сравнения на рис. 1 приведена кривая 1, рассчитанная для случая, когда инжекционный ток равен нулю, а электрическое поле соответствует плотности инжекционного тока 10^–8 А/см². Кривая 1 не учитывает процесс аннигиляции части накопленного дырочного заряда в результате взаимодействия с инжектированными электронами. При напряженности электрического поля ниже инжекционной наклон кривой 1 будет меньше [12–14], следовательно, для повышения чувствительности сенсоров RadFET можно использовать инжекционные режимы. Дозовый сдвиг порогового напряжения необходимо калибровать с использованием предложенной модели. При более высокой плотности инжекционного тока (рис. 1, кривые 3 и 3 ') существенным становится процесс генерации и накопления дырочного заряда в результате сильнополевой ионизации, а также усиливается процесс аннигиляции положительного заряда инжектированными электронами. В результате при больших временах воздействия радиационного излучения и сильнополевой инжекции в диэлектрике накапливается меньший заряд дырок по сравнению с плотностью тока 10^–8 А/см². Следовательно, режим инжекции заряда при плотности тока 10^–7 А/см² нежелательно использовать для сенсоров RadFET.

На рис. 2 показана временнáя зависимость количества поверхностных состояний, генерируемых в процессе аннигиляции захваченных дырок инжектированными электронами при радиационном облучении и сильнополевой инжекции электронов. Как видно из рисунка, аннигиляция части накопленного в пленке SiO₂ положительного заряда может приводить к генерации большого количества поверхностных состояний. Этот процесс надо учитывать даже в невысоких инжекционных электрических полях (кривая 1 '), когда в основном аннигилирует положительный заряд, обусловленный воздействием ионизирующего излучения. В более сильных электрических полях (кривая 2 ') процесс генерации поверхностных состояний усиливается как за счет возрастания плотности накопленных дырок, так и за счет возрастания потока инжектированных электронов.

На рис. 3 показан сдвиг порогового напряжения в результате изменения зарядового состояния МДП-структуры от времени воздействия без учета (кривые 2, 3) и с учетом (кривые 2 ', 3 ') образования поверхностных состояний при совместном действии радиационного излучения и сильнополевой инжекции электронов при различной плотности тока. На рис. 3 также приведена теоретическая кривая 1, полученная для электрического поля, соответствующего плотности тока 10^–8 А/см². В отсутствие инжекции электронов (J_inj полагали равным нулю) не учитывали ни процессы аннигиляции части захваченного положительного заряда, ни возникающие в результате процессы генерации поверхностных состояний. Символами на рисунке обозначены экспериментальные данные, взятые из литературы и полученные в предыдущих исследованиях. Как видно из рис. 3, сильные электрические поля существенно повышают дозовую чувствительность сенсора RadFET [12], однако при контроле интегральной поглощенной дозы желательно обеспечивать режимы, когда процесс радиационной ионизации существенно интенсивнее процесса сильнополевой ионизации.

ВЫВОДЫ

Разработана модель процессов изменения зарядового состояния МДП-структур при одновременном воздействии сильнополевой туннельной инжекции электронов и радиационных излучений. В данной модели учитывается взаимодействие инжектированных электронов с положительным зарядом, накапливающимся в диэлектрической пленке вследствие протекания процессов радиационной и сильнополевой ионизации. Модель также позволяет определить количество поверхностных состояний, генерируемых в результате аннигиляции дырок, захваченных инжектированными электронами. Показано, что в сенсорах радиационных излучений на основе МДП-структур при контроле интегральной поглощенной дозы желательно обеспечивать режимы, когда процесс радиационной ионизации существенно интенсивнее процесса сильнополевой ионизации. Установлено, что процесс генерации поверхностных состояний при аннигиляции захваченных дырок с инжектированными электронами может вносить существенный вклад в изменение зарядового состояния МДП-структур.