Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2021, № 10, стр. 50-54

ВВЕДЕНИЕ

Широкое применение изолирующих и диэлектрических материалов в современной полупроводниковой технологии порождает интерес к исследованию процессов накопления электрического заряда и его релаксации в этих материалах при их облучении различными типами ионизирующего излучения (гамма и рентгеновские, нейтронные и другие пучки) [1, 2]. Исследования процессов накопления заряда в диэлектриках необходимы также для повышения радиационной стойкости полупроводниковых приборов, разработки изоляционных материалов для защиты спутников и космических аппаратов и т.д. Кроме того, понимание кинетики накопления электрического заряда играет важную роль для коррекции влияния эффектов зарядки при количественной характеризации изолирующих материалов методами растровой электронной микроскопии (РЭМ). В последнем случае основное влияние оказывает поверхностный потенциал, формирующийся в результате зарядки, и значительная часть работ была посвящена исследованию этого потенциала [3, 4]. Было показано [3], что он может достигать значений в несколько килоэлектронвольт, при этом, как следует из работы [4], формирование поверхностного потенциала не может быть объяснено без учета распределения в диэлектрическом слое неравновесных электрон-дырочных пар, рождаемых падающим пучком. В другой группе работ проводились исследования фиксированного заряда в оксидном слое и ловушек на границе раздела диэлектрик/полупроводник, формирующихся в тонком слое диэлектрической пленки при облучении ионизирующими пучками [1, 2, 5, 6].

Однако, несмотря на многочисленные исследования, динамика зарядки диэлектриков при облучении электронным пучком до сих пор не до конца понятна. В частности, формирование новых состояний на границе раздела SiO₂/Si объяснялось в работах [1, 2] переносом рожденных при облучении дырок к границе раздела с последующим преобразованием захваченных дырок в ловушки на границе раздела. В [5] было показано, что формирование ловушек может происходить и с участием электронов. В ряде других работ (например, [7]) формирование ловушек на границе раздела объясняли реакциями с участием водорода. В случае исследования влияния облучения ионизирующего излучения на свойства металл–диэлектрик–полупроводник (МДП) структур на основе SiO₂/Si подавляющее число работ было выполнено на образцах с подложкой p-типа и лишь малая часть – на структурах с кремниевой подложкой n-типа проводимости. В то же время электрическое поле в пленке SiO₂ может зависеть от типа проводимости подложки. Поэтому представляло интерес сравнить влияние облучения ионизирующего облучения на накопление заряда в оксидном слое на подложках n- и p-типа проводимости при воздействии ионизирующего облучения.

В данной работе мы представляем результаты исследования накопления заряда в слое SiO₂ при облучении низкоэнергетическим электронным пучком и релаксации этого заряда методом измерения вольт-фарадных профилей (C–V-характеристики), для структур на подложках Si n-типа. Для сравнения часть измерений проводилась на МДП-структурах на подложках с проводимостью p-типа.

МЕТОДИКА И ОБРАЗЦЫ

В исследовании использовались образцы на подложке Si n-типа с толщиной слоя SiO₂ порядка 300 нм, легированные фосфором до концентрации 4.6 × 10¹⁴ см^–3. Для сравнения часть измерений проводилась на структурах с подложкой Si p-типа проводимости, легированной бором до концентрации 3 × 10¹⁴ см^–3, и толщиной диэлектрического слоя SiO₂ 200 нм. Оксидный слой получали термическим окислением кремния. Облучение проводилось в растровом электронном микроскопе JSM-840A в телевизионном режиме сквозь напыленные площадки металлизации при значении энергии первичных электронов 10 кэВ и максимальном токе пучка 3 × 10^–9 А. Во всех экспериментах металлический контакт был заземлен либо на него подавалось напряжение. Доза облучения составляла от 6.25 × 10^–2 до 100 мкКл/см². Как было показано в [5], при используемой энергии падающего пучка первичные электроны достигают кремниевой подложки. Изучение релаксации эффектов облучения при термическом отжиге проводилось в интервале температур 395–483 К.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Вольт-фарадные (C–V) характеристики структуры на n-Si, облученной электронами, представлены на рис. 1а. Для сравнения аналогичные характеристики на p-Si представлены на рис. 1б. Видно, что на n-Si даже при дозе 100 мкКл/см² объемный заряд в оксиде, который проявляется в сдвиге C–V-характеристики по оси напряжений, небольшой, и основной эффект облучения заключается в изменении наклона характеристик и уменьшении емкости при отрицательном смещении в режиме инверсии. Изменение наклона характеристики свидетельствует об образовании новых состояний на границе раздела полупроводник/диэлектрик, а уменьшение емкости в режиме инверсии свидетельствует об увеличении ширины области объемного заряда в кремнии, т.е. о понижении эффективной концентрации доноров. Чувствительность структур на p-Si к облучению электронами была существенно выше (рис. 1б), что хорошо согласуется с результатами, полученными ранее в работах [5, 6, 8]. Заметный сдвиг характеристики в сторону отрицательных напряжений и изменение ее наклона на p-Si наблюдалось уже при дозах облучения, меньших 1 мкКл/см². Кроме того, на структурах на p-Si даже облучение с дозой порядка 100 мкКл/см² не приводило к заметному изменению емкости в режиме инверсии, т.е. уменьшения эффективной концентрации акцепторов не наблюдалось.

Рис. 1.

C–V-характеристики исследуемых структур до и после облучения: а – подложка Si n-типа, б – подложка Si p-типа (доза облучения 2.5 мкКл/см²). Энергия падающего пучка 10 кэВ.

В работе [5] было показано, что приложенное к исследуемой структуре во время ее облучения напряжение может существенным образом влиять на эффекты накопления заряда как в объеме оксидного слоя, так и на интерфейсе SiO₂/Si. Поэтому представляло интерес сравнить влияние напряжения, приложенного во время облучения, на эффект накопления заряда в структурах с подложкой n-типа проводимости. На рис. 2 представлены C–V-характеристики, демонстрирующее влияние приложенного в процессе облучения напряжения для структур n- и p-типа проводимости. Прежде всего, следует отметить, что качественно влияние приложенного напряжения в обоих типах структур подобно. При приложении отрицательного напряжения к металлическому электроду кривые немного смещаются в сторону отрицательных напряжений, а при положительном напряжении они также смещаются в сторону отрицательных напряжений. Следует отметить, что, если на структуре n-Si приложенное положительное напряжение в основном изменяло наклон C–V-кривых, т.е. увеличивало плотность состояний на границе раздела, на структуре p-Si такое напряжение приводило к существенному сдвигу C–V-кривых в сторону отрицательных напряжений, т.е. к увеличению положительного заряда в оксиде. Повышение эффективности процесса генерации ловушек на границе раздела SiO₂/n-Si можно объяснить инжекцией горячих электронов из подложки n-типа [9, 10]. Действительно, поскольку, согласно [11], пленка SiO₂ при облучении становится проводящей, доля напряжения, приложенная к полупроводнику, увеличивается. А деградация полевых транзисторов наблюдалась уже при приложенных к затвору напряжениях порядка нескольких вольт [9, 10]. Генерация неравновесных носителей заряда электронным пучком и их последующая диффузия, и дрейф приводят к тому, что распределение электрических полей в SiO₂ может отличаться от сформировавшегося после окончания облучения, что существенно усложняет анализ результатов, особенно результатов с приложенным внешним полем.

Рис. 2.

Изменение C–V-характеристик исследуемой структуры при облучении с напряжением смещения +10, 0, –10 В. а – подложка Si n-типа (доза облучения 100 мкКл/см²); б – подложка Si p-типа (доза облучения 6.25 × 10^–2 мкКл/см²). Энергия падающего пучка E_b = 10 кэВ.

Для исследования стабильности изменения свойств структур в результате облучения низкоэнергетичным электронным пучком, была исследована релаксация C–V-кривых при термическом отжиге. C–V-кривые измерялись после 10 мин изохронного отжига структур, облученных электронами с энергией 10 кэВ дозой 90 мкКл/см². Как и в случае МДП-структур с подложкой p-типа [5], при температуре 250°C происходило полное восстановление C–V-кривых до исходного состояния, и соответственно происходили как релаксация накопленного объемного заряда, так и отжиг или пассивация образованных при облучении состояний на границе раздела (рис. 3). Похожие температуры отжига наблюдались и в других работах [12, 13]. В то же время для восстановления емкости в режиме инверсии достаточно было отжига при 100°C.

Рис. 3.

C–V-характеристики до облучения, после облучения и после отжига.

Уменьшение эффективной концентрации доноров (фосфора) в кремнии при облучении электронным пучком можно было бы объяснить его пассивацией водородом. Водород может генерироваться как за счет стимулированной горячими электронами депассивации дефектов на интерфейсе SiO₂/Si [14], так и стимулированной электронным пучком диссоциации молекул водорода или воды на границе раздела металл–SiO₂ [15, 16]. Атомарный водород легко диффундирует в SiO₂ [14] и в кремнии [17], поэтому он вполне может достичь границы раздела SiO₂/Si даже при его образовании на поверхности SiO₂. Температуры диссоциации пар фосфор–водород также близки к температуре восстановления эффективной концентрации доноров в настоящей работе [18]. Возникает вопрос, почему в наших экспериментах наблюдалась только пассивация водородом фосфора, хотя известно, что водород более эффективно взаимодействует с бором [19]. Одно из объяснений может быть связано с тем, что, как видно на рис. 1б, в структуре SiO₂/p-Si в Si образуется инверсный слой, и при облучении концентрация электронов в этом слое возрастает. Поэтому при проникновении водорода в кремний он может заряжаться отрицательно, и тогда электрическое поле будет препятствовать его проникновению вглубь подложки и пассивации бора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе исследовано влияние облучения электронным пучком c энергией 10 кэВ на вольт-фарадные характеристики МДП-структур Al/SiO₂/ n-Si. Показано, что для появления заметного объемного заряда и образования новых центров на границе раздела SiO₂/Si доза облучения должна превышать несколько десятков мкКл/см², в то время как в структурах на основе p-Si влияние облучение заметно уже при дозах порядка 10^–2 мкКл/см². Выявлено понижение эффективной концентрации доноров в результате облучения, которое может свидетельствовать о пассивации фосфора водородом, освободившимся в результате облучения. Отжиг в течение 10 мин при температуре 100°C приводил к восстановлению эффективной концентрации доноров, а после отжига при 250°C наблюдалось полное восстановление C–V-кривых до исходного состояния.