Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2023, № 1, стр. 55-60

ВВЕДЕНИЕ

Одним из основных последствий радиационного облучения МОП-приборов (МОП – металл–оксид–полупроводник), влияющих на их работоспособность и определяющих их надежность, является изменение зарядового состояния диэлектрика и границы раздела, сопровождающееся структурными изменениями материалов [1–7]. На изменении зарядового состояния подзатворного диэлектрика при радиационных воздействиях основана работа сенсоров RadFET (Radiation sensing Field Effect Transistor), пороговое напряжение которых обычно пропорционально поглощенной дозе [8–14]. Явления, протекающие после облучения в этих МОП-приборах, привлекают к себе большое внимание в течение последних нескольких десятилетий, поскольку изменение зарядового состояния оксида затвора и эволюция дефектов как в диэлектрической пленке, так и на границе раздела Si–SiO₂ после облучения очень важны для эксплуатации МОП-приборов и сенсоров [8–10]. Совместное воздействие радиационного излучения и сильных электрических полей, а также послерадиационная сильнополевая инжекция носителей заряда в подзатворный диэлектрик может оказывать существенное влияние на протекающие в МОП-структурах зарядовые процессы. Использование режимов сильнополевой инжекции носителей заряда в подзатворный диэлектрик может существенно расширить возможности МОП-сенсоров радиационных излучений, повысив их дозовую чувствительность и позволяя контролировать интенсивность излучения по измерению ионизационного тока в подзатворном диэлектрике [15–18]. В [11, 19, 20] было показано, что использование сильнополевой туннельной инжекции электронов по Фаулеру–Нордгейму после радиационного облучения позволяет стирать большую часть радиационно-индуцированного положительного заряда, и в результате появляется возможность повторного использования сенсоров RADFET. Однако радиационное облучение и сильнополевая инжекция носителей заряда в подзатворный диэлектрик, особенно при совместном воздействии, могут существенно ускорять возникновение дефектов и деградацию МОП-приборов и сенсоров. Следовательно, крайне важно определить ограничения на радиационные и сильнополевые воздействия, позволяющие корректно эксплуатировать МОП-приборы, в том числе при совместном или поочередном радиационном и сильнополевом воздействии.

В настоящей работе изучено влияние режимов сильнополевой инжекции электронов по Фаулеру–Нордгейму на стирание радиационно-индуцированного положительного заряда и эволюцию зарядового состояния и дефектов в тонких термических пленках диоксида кремния МОП-приборов.

ОБРАЗЦЫ И МЕТОДЫ

В качестве исследуемых образцов использовали МОП-структуры, изготовленные на кремнии n-типа с термическими пленками SiO₂ толщиной 100 нм и алюминиевым затвором [15, 16]. Диоксид кремния толщиной 100 нм получали термическим окислением кремния в атмосфере кислорода при температуре 1000°C с добавлением 3% HCl. Верхние электроды формировали с использованием фотолитографии по алюминиевой пленке, напыленной магнетронным методом. После формирования Al-электродов проводили отжиг в среде азота при температуре 475°С. Такие МОП-структуры были изготовлены промышленным способом и совместимы с технологией изготовления интегральных микросхем серии CD4000. Данная технология также используется для изготовления сенсоров RADFET [12].

Сильнополевую туннельную инжекцию электронов проводили в режиме протекания постоянного тока при положительной полярности металлического электрода с использованием экспериментальной установки, реализованной с использованием прецизионного генератора/измерителя тока/напряжения PXIe-4135, являющегося модулем серии PXI от National Instruments. Основным параметром, характеризующим изменение зарядового состояния диэлектрической пленки МОП-структуры, был сдвиг напряжения на образце во время инжекции (V_I), определяемый при постоянной величине инжекционного тока, протекающего через подзатворный диэлектрик [21, 22]. Для получения дополнительной информации об изменении зарядового состояния МОП-структур применяли метод C–V-характеристик. Основными информативными параметрами, получаемыми из измерения C–V, были: напряжение плоских зон (V_FB), напряжение середины зоны (V_MG) и пороговое напряжение, соответствующее образованию инверсного слоя (V_T).

Облучение протонами проводили на экспериментальной установке, созданной на базе ускорителя, что позволяло использовать потоки протонов с энергией 150–500 кэВ. Один импульс на ускорителе обеспечивал флуенс протонов 10¹⁰ см^–2. Плотность тока протонов составляла (1–4) × × 10^–8 А/см², что исключало возможность разогрева исследованных образцов. Для облучения МОП-структур гамма-квантами использовали источник Co⁶⁰.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Проведенные ранее исследования воздействия протонного излучения и облучения гамма-квантами [15–18] на аналогичные МОП-структуры показали, что оба вида облучения приводят к накоплению в пленке подзатворного диэлектрика положительного заряда и увеличению плотности ловушек на границе раздела с полупроводником. Сдвиг порогового напряжения, полученного из измерений C–V до дозы 100 крад, был пропорционален дозе облучения [15–17], что позволяет применять эти структуры в качестве сенсоров радиационного излучения. Данные результаты хорошо согласуются с результатами других исследователей аналогичных МОП-приборов [8–12]. Проведение радиационного облучения МОП-структур, находящихся в режиме сильнополевой инжекции электронов, подробно описано в [15–18] и позволяет значительно увеличить дозовую чувствительность сенсоров и расширить их характеристики.

Одна из основных характеристик МОП-сенсора – это стабильность его показаний во времени после снятия облучения. Эта стабильность в основном определяется релаксацией радиационно-индуцированного положительного заряда при отжиге структуры, который обычно проводится при комнатной температуре [8–12]. На рис. 1 приведены изменения порогового напряжения МОП-структуры и поверхностных состояний при хранении структуры при комнатной температуре после облучения флуенсом протонов 5 × 10¹¹ см^–2 с энергией 500 кэВ. Близкие к приведенным на рисунке изменения параметров наблюдались при аналогичном хранении МОП-структур, облученных гамма-квантами с дозой около 10 крад. Как видно из рис. 1, при хранении МОП-структур наблюдается постепенное уменьшение сдвига порогового напряжения, что соответствует уменьшению положительного заряда, накопленного в подзатворном диэлектрике в процессе облучения. Основным механизмом отжига положительного заряда является туннельный либо туннельно-термоактивационный обмен зарядами с подложкой [9–12]. Результаты, приведенные на рис. 1, хорошо коррелируют с экспериментальными данными, полученными другими авторами [8–14]. Как видно из рисунка, образование поверхностных состояний продолжается и после прекращения действия излучения в течение всего времени выдерживания структуры, что также согласуется с литературными данными [9–11]. Кривые, характеризующие релаксацию положительного заряда, накопленного в подзатворном диэлектрике при совместном воздействии радиационного излучения и сильных электрических полей, были схожи.

В последнее время для расширения функциональных возможностей МОП-сенсоров и улучшения их метрологических характеристик широко исследуют возможность стирания положительного заряда сильнополевой инжекцией электронов (инжекционный отжиг) и радиационным облучением при отрицательном смещении на затворе (радиационный отжиг) [11, 19, 20]. Для изучения возможности стирания положительного заряда была использована сильнополевая инжекция электронов из кремния в режиме поддержания постоянного тока в диапазоне 0.1–1 мкА/см². Предварительные исследования необлученных МОП-структур показали, что при данных плотностях инжекционного тока практически не наблюдаются процессы межзонной ударной ионизации в пленке SiO₂ и процесс инжекции дырок из анода. В результате при данных режимах инжекции зарядовое состояние необлученных МОП-структур изменялось незначительно, и этими изменениями можно было пренебречь. Использование режима протекания постоянного сильнополевого инжекционного тока для стирания радиационно-индуцированного положительного заряда в пленке SiO₂ МОП-структур позволяет поддерживать постоянную плотность инжектированного заряда и обеспечивать более быстрый и стабильный режим стирания по сравнению с инжекцией в режиме поддержания постоянного напряжения.

На рис. 2 приведено изменение напряжения ΔV_I на МОП-структуре, содержащей положительный заряд (созданный облучением флуенсом протонов 10¹¹ см^–2) при сильнополевой туннельной инжекции электронов из кремния в режиме протекания постоянного тока J_inj = 10^–6 А/см² и изменение напряжения плоских зон V_FB, измеренные путем прерывания инжекции. Как видно из рисунка, в процессе стирания положительного заряда значительно увеличивается количество поверхностных состояний N_it, что хорошо согласуется с теорией генерации новых поверхностных состояний при аннигиляции захваченных дырок в результате взаимодействия с инжектированными электронами, предложенной в [23, 24]. Уменьшение сдвига порогового напряжения в процессе инжекции было небольшим, поскольку аннигиляция положительного заряда компенсировалась ростом количества поверхностных состояний. Кривые, характеризующие изменение зарядового состояния МОП-структуры, содержащей аналогичный радиационно-индуцированный положительный заряд при сильнополевой инжекции электронов в режиме протекания постоянного тока J_inj = 10^–7 А/см², были схожи с кривыми, приведенными на рис. 2. Следовательно, при таких сильнополевых воздействиях стирание положительного заряда и генерация новых поверхностных состояний в основном определяются величиной заряда, инжектированного в диэлектрик. Однако при уменьшении плотности инжекционного тока пропорционально увеличивается время инжекции, что нежелательно с практической точки зрения для МОП-сенсоров радиационного излучения.

Проведение дополнительных исследований позволило сделать вывод, что протонное облучение особенно при больших флуенсах и последующая сильнополевая инжекция электронов создают в объеме пленки SiO₂ электронные ловушки. Следовательно, экспериментальные данные, представленные на рис. 2, характеризуют не только релаксацию положительного заряда, но и частичную компенсацию его отрицательным зарядом электронов, захватываемых в ловушки в процессе инжекции. Именно захватом небольшого количества электронов можно объяснить разницу в смещениях напряжения плоских зон и напряжения во время инжекции постоянным током.

Зонная диаграмма, характеризующая основные физические процессы, которые протекают в МОП-структуре, содержащей положительный заряд, индуцированный радиационным воздействием при его последующем стирании сильнополевой инжекцией электронов, представлена на рис. 3. Как видно из рисунка, в результате радиационной ионизации часть дырок, избежавших рекомбинации и приблизившихся к границе раздела Si–SiO₂, может захватываться в ловушки в объеме SiO₂ у границы с кремнием, создавая положительный заряд Q_p. Дырки захватываются в ловушки, основную часть которых составляют напряженные связи кислородных вакансий O≡Si–Si≡O [1–3]. Захват дырок приводит к разрыву напряженной связи и образованию фиксированного положительного заряда, ответственным за который считают (преимущественно) E '-центры O≡Si–+Si≡O [1–3, 7]. При сильнополевой инжекции электронов из кремния (рис. 3, процесс 1) часть инжектированных электронов взаимодействует с захваченными дырками (процесс 3), приводя к их аннигиляции [23–30]. При аннигиляции части дырок в результате взаимодействия с инжектированными электронами могут генерироваться новые поверхностные состояния (рис. 3, процесс 4). В настоящее время существуют два основных объяснения природы таких поверхностных состояний и механизмов их генерации [24–28]. Первый предполагает участие водорода и его соединений в этих процессах, а второй объясняет происхождение части поверхностных состояний отжигом положительного заряда и структурным преобразованием его в поверхностное состояние (“конверсионные” модели). Водородная модель предполагает активную химическую роль соединений водорода (протонов и атомарного водорода) в генерации поверхностных состояний. В этом случае поверхностные состояния связывают с P_b-центрами и их модификациями. Под действием радиационного облучения часть связанного водорода, находящегося в объеме SiO₂ в виде групп SiH и SiOH, может высвобождаться (рис. 3, процесс 5), что приводит к образованию в диэлектрике электронных ловушек [24, 25, 29, 30]. Освобождение водорода может происходить в результате взаимодействия водородных групп с высокоэнергичными инжектированными электронами [24, 25]. Затем соединения водорода перемещаются к границе раздела Si–SiO₂ (рис. 3, процесс 6), где они могут инициировать образование Р_b-центров (процесс 7). Часть инжектированных электронов может захватываться в созданные в SiO₂ электронные ловушки (рис. 3, процесс 8), образуя отрицательный заряд Q_n.

В случае, представленном на рис. 3, генерация дырок в результате радиационной и сильнополевой инжекции отсутствует и, следовательно, для определения изменения плотности радиационно-индуцированных дырок в процессе сильнополевой инжекции электронов можно использовать уравнение:

где для определения плотности тока Фаулера–Нордгейма использовано выражение [25]: Для определения количества поверхностных состояний, генерируемых при аннигиляции захваченных дырок инжектированными электронами, применяли выражение [15, 24]: где γ_e–h – вероятность создания поверхностного состояния путем электронно-дырочной рекомбинации.

Для определения плотности электронов, накапливаемых в объеме подзатворного диэлектрика (рис. 3, процесс 8), использовано следующее уравнение [15–18]:

Уравнение сдвига порогового напряжения МОП-структуры при инжекции электронов из кремния в режиме протекания постоянного тока: где 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, N_t и σ_t – плотность и сечение захвата электронных ловушек в объеме диэлектрической пленки, q – заряд электрона, d_ox – толщина пленки оксида, A = 1.54 × 10^–6m₀/m*$\varphi _{{\text{B}}}^{{ - 1}}$ [A/B²] и B = 6.83 × 10⁷m₀/m*$\varphi _{{\text{B}}}^{{{3 \mathord{\left/ {\vphantom {3 2}} \right. \kern-0em} 2}}}$ [B/см] – постоянные туннельной инжекции по Фаулеру–Нордгейму, m₀ и m* – масса электрона в вакууме и эффективная масса электрона в диэлектрике, φ_B – высота потенциального барьера на инжектирующей границе раздела, εε₀ – диэлектрическая проницаемость диэлектрика, x_p и x_n – положения центроидов (относительно границы Si–SiO₂) положительного заряда захваченных в SiO₂ дырок и захваченных электронов соответственно.

Систему уравнений (1)–(5) решали при следующих начальных условиях: p(0) = p_rad, $n_{{it}}^{{e - h}}(0) = n_{{it\,{\kern 1pt} {\text{rad}}}}^{{e - h}},$ где p_rad и $n_{{it\,\,{\text{rad}}}}^{{e - h}}$ – плотность захваченных дырок и количество поверхностных состояний, индуцированных радиационным излучением. Параметры модели, входящие в выражения (1)–(5): b₀ = 3 × 10^–13 МВ³/см; N_t = (0.2–1.2) × 10¹³ см^–2; γ_e–h = 0.3; σ_t = 1.4 × 10^–15 см²; x_p = 6 нм; x_n = 60 нм.

Сдвиг напряжения на МОП-структуре при постоянной плотности тока ΔV_I в режиме сильнополевой инжекции электронов из кремния можно определить, если использовать уравнение (5) без второго слагаемого (учитывающего генерацию поверхностных состояний). На рис. 2 временная зависимость ΔV_I, полученная на основе решения уравнений (1)–(5), показана пунктирной линией. Как видно из рисунка, теоретически рассчитанная кривая во всем диапазоне сильнополевой инжекции практически совпадает с экспериментальными данными, что подтверждает корректность предложенной модели. Параметры, входящие в модель, были практически идентичны параметрам, используемым в [15–18], что говорит об универсальности модели, предложенной в [15, 16], и возможности ее применения как для описания генерации положительного заряда, так и для его релаксации при радиационных и/или сильнополевых инжекционных воздействиях.

ВЫВОДЫ

Показано, что для стирания радиационно-индуцированного положительного заряда, накапливаемого в пленке SiO₂ МОП-структур, желательно использовать сильнополевую туннельную инжекцию электронов при электрических полях, не вызывающих генерацию дырок. Установлено, что при аннигиляции захваченных в SiO₂ дырок в результате взаимодействия с инжектированными электронами наблюдается существенное увеличение количества поверхностных состояний, значительно превышающих количество поверхностных состояний, возникающих при отжиге радиационно-индуцированного заряда при комнатной температуре.

Показано, что стирание радиационно-индуцированного положительного заряда в пленке SiO₂ МОП-структур и генерация новых поверхностных состояний в основном определяются величиной заряда, инжектированного в диэлектрик, и, следовательно, использование режима протекания постоянного инжекционного тока позволяет обеспечить более быстрый и стабильный режим стирания.

Предложена модель, описывающая процесс аннигиляции радиационно-индуцированного положительного заряда при взаимодействии с инжектированными электронами. Показано, что параметры предложенной модели близки к параметрам модели, описывающей накопление положительного заряда в пленке SiO₂ МОП-структур при сильнополевой инжекции электронов по Фаулеру–Нордгейму.

Установлено, что при сильнополевой инжекции в подзатворный диэлектрик МОП-структуры, содержащий радиационно-индуцированный накопленный положительный заряд, только часть этого заряда аннигилирует при взаимодействии с инжектированными электронами. Показано, что при продолжительной инжекции электронов МОП-структур может наблюдаться накопление отрицательного заряда в объеме пленки SiO₂ в результате захвата части инжектированных электронов в ловушки, возникающие в оксиде после радиационного облучения и в процессе сильнополевой инжекции.