Влияние ионизирующего излучения на свойства скрытых оксидов КНИ-структур

Размещено на http://www.allbest.ru/

Влияние ионизирующего излучения на свойства скрытых оксидов КНИ-структур

Мустафаев Арслан Гасанович, доктор технических наук , профессор, ГАОУ ВО "Дагестанский государственный университет народного хозяйства"

Мустафаев Гасан Абакарович,\доктор технических наук,профессор, ФГБОУ ВО "Кабардино-Балкарский государственный университет"

Черкесова Наталья Васильевна, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВО "Кабардино-Балкарский государственный университет"

Аннотация

электрофизический гетероструктура облучение полупроводниковый

Полупроводниковые гетероструктуры лежат в основе конструкций современных транзисторов, приборов квантовой электроники, СВЧ-техники, электронной техники для систем связи, телекоммуникаций, вычислительных систем и светотехники. В работе описаны процессы формирования радиационно-стойких гетероструктур с требуемым набором структурных и электрофизических параметров с учетом влияния воздействий ионизирующих излучений, позволяющих расширить область их применения и повысить надежность радиоэлектронной аппаратуры. Проведено исследование влияния облучения на параметры гетеро- и полупроводниковых структур, изготовленных по различным конструктивно-технологическим вариантам. Исследования проводились в том числе с использованием метода напряжения плоских зон и определения времени релаксации. Показано, что с увеличением дозы ионизирующих частиц плотность заряда в диэлектрике растет, достигает насыщения при дозе 108- 109 рад, а величина встроенного заряда и механические напряжения в многослойных диэлектрических системах снижаются за счет образования промежуточного заряда на границе раздела диэлектриков и наличием потенциального барьера между ними.

Ключевые слова: кремний на изоляторе, гетероструктура, ионизирующее излучение, оксид кремния, нитрид кремния, тонкие пленки, полупроводник, радиационная стойкость, заряд, граница раздела

Abstract

Mustafaev Arslan Gasanovich, Doctor of Technical Science, Professor of the Department "Information technologies and information security" of the Dagestan State University of National Economy

Mustafaev Gasan Abakarovich, Doctor of Technical Science,Professor, Department of Computer Technologies and Integrated Circuits, Kabardino-Balkarian State University

Cherkesova Natal'ya Vasil'evna, PhD in Technical Science, Associate Professor at Kabardino-Balkarian State University

The processes of formation of radiation-resistant heterostructures with required set of structural and electrophysical parameters, taking into account the influence of ionizing radiation effects, allowing to expand the field of their application and improve the reliability of electronic equipment are described. The influence of irradiation on the parameters of hetero- and semiconductor structures made according to various design-technological variants is studied. It is shown that the charge density in the dielectric increases with increasing dose of ionizing particles, reaches saturation at a dose of 108- 109 rad, and the value of the built-in charge and mechanical stresses in multilayer dielectric systems decrease due to the formation of an intermediate charge at the dielectric interface and the presence of a potential barrier between them. By adjusting the rate of introduction and characteristics of radiation centers during irradiation type, method of growing and the level of doping material, and the integrated flux density of the irradiation, the sample temperature during irradiation may purposefully alter the electrical properties of heterostructures and electrical parameters of devices and integrated circuits. Developed methods, for radiation resistant heterostructures forming, reduces charge formation at silicon-oxide interface. SOI technology on optimized structure, shows good results, even at high radiation doses. The resistance to the total dose of radiation rises by three orders of magnitude.

Keywords: semiconductor, thin films, silicon nitride, silicon oxide, ionizing radiation, heterostructure, silicon on insulator, radianion hardness, charge, interface

Введение

Полупроводниковые гетероструктуры лежат в основе конструкций современных транзисторов, приборов квантовой электроники, СВЧ-техники, электронной техники для систем связи, телекоммуникаций, вычислительных систем и светотехники [1-2]. Возможность изменять на границах гетероперехода ширину запрещённой зоны и диэлектрическую проницаемость позволяет с помощью гетероструктуры эффективно управлять движением носителей заряда, их рекомбинацией, а также световыми потоками внутри них [3-6]. Эти свойства гетероструктур и определяют область их применения. Одна из важных проблем современной микро- и наноэлектроники - это создание элементов схем с пониженной чувствительностью к воздействию радиации. В связи с этим проведены исследования влияния различных видов излучения на свойства гетероструктур [7-10].

Исследуемые гетероструктуры представлены. на рис. 1. В качестве металла был выбран алюминий.

Рис. 1. Исследуемые структуры

Эксперимент и результаты

Исследования показали, что двухслойные системы обеспечивают стабильность заряда даже в том случае, если каждый диэлектрик в отдельности зарядовой стабильностью не обладает. В качестве примера стабилизации можно рассмотреть сочетание диэлектриков оксид кремния-нитрид кремния (рис.1г), в котором нитрид кремния обладая электронной проводимостью, представляет собой барьер для примесных ионов в оксиде кремния. Нанесение слоя нитрида кремния поверх маскирующего слоя оксида улучшает рабочие характеристики структур. Основной эффект влияния слоя, нитрида кремния, на параметры структур заключается в уменьшении механических напряжений на границе оксид кремния-нитрид кремния.

В связи с увеличением требований к параметрам гетероструктур и приборов на их основе большой интерес представляется способам получения диэлектрика в присутствии галогенов, особенно хлора.

Введение в поток сухого кислорода небольших добавок хлора при окислении кремния приводит к существенному возрастанию времени жизни неосновных носителей [9,10]. Высокая стабильность таких структур на основе хлорных окислов связана со связыванием в нейтральные комплексы на основе хлора ионов щелочных металлов.

На рис. 2 представлена зависимость времени формирования инверсионного слоя гетероструктуры от процентного содержания хлора в кислороде.

На рис. 3 представлена зависимость термостабильности гетероструктур (изменения напряжения плоских зон) от состава окислительной среды.

Из полученных зависимостей следует, что с увеличением процентного содержания хлора в окислительной среде увеличивается время жизни и снижается скорость поверхностной генерации неосновных носителей, увеличивается термостабильность.

На рис. 4 представлены зависимости плотности поверхностных состояний в гетероструктуре от дозы для разных диэлектриков. Из рис. 4 видно, что с увеличением потока ионизирующих частиц, плотность объемного заряда в оксиде растет, достигая насыщения при потоке 108- 109 рад.

Исследование распределения заряда в диоксиде кремния, подвергнутой бомбардировке электронами с энергией 4 МэВ (поток 1014 см-2), методом послойного травления показало, что весь положительный заряд сконцентрирован на расстоянии порядка 10 нм от поверхности раздела диэлектрик-полупроводник.

В гетероструктуре при облучении происходит накопление объемного положительного заряда, что приводит к сдвигу порогового напряжения и деградации параметров приборов в целом. Основным направлением остаются работы, связанные с созданием диэлектрика с пониженной чувствительностью к радиации.

Улучшение свойств диэлектрика проводят различными методами: ионной имплантацией, легированием, изменением технологических процессов выращивания и т.д. Показано, что легирование диэлектрика атомами фосфора, бора, хрома и алюминия уменьшает вероятность накопления положительного заряда за счет изменения числа и природы ловушек и тем самым способствует снижению чувствительности диэлектрика к радиации.

Рис. 2. Зависимость времени формирования инверсионного слоя в гетероструктуре от содержания хлора в процессе получения оксида кремния

Рис. 3. Сдвиг напряжения плоских зон гетероструктуры в зависимости от содержания хлора в процессе осаждения.

Как видно из рис. 5 величина заряда, накапливаемого в нитриде кремния при g- облучении, меньше, чем в диоксиде кремния. Основной эффект влияния слоя нитрида кремния на параметры полупроводниковых структур заключается в уменьшении механических напряжений на границе кремний-диоксид кремния.

Рис. 4. Зависимость плотности поверхностных состояний в гетероструктуре от дозы: 1- сухой SiO2, 2- влажный SiO2, 3- Si3N4

Рис. 5. Зависимость плотности заряда в пленках от дозы g-облучения

При облучении однослойных гетероструктур возникающие в них заряды не компенсируются [11], в двухслойных системах происходит уменьшение встроенного заряда, за счет компенсации положительного заряда в диоксид кремния, отрицательным зарядом, накопленным в нитриде кремния.

Зависимость плотности заряда от дозы при облучении структур в двухслойных системах, представлена на рис. 6. Как видно из рис. 6, в результате облучения величина заряда возрастает и при дозах превышающих 2Ч107 рад, изменяется незначительно.

Это приводит к увеличению электрического поля у электрода с отрицательным потенциалом (катода), что улучшает эмиссионные свойства контактов металл-диэлектрик или полупроводник-диэлектрик.

Для дальнейшего улучшения параметров гетероструктур в качестве маскирующего оксида использовали оксид алюминия. Приборы с оксидом алюминия обладают более высокой радиационной стойкостью. В оксиде алюминия наряду с дырочными ловушками, имеются также ловушки для электронов, что обеспечивает одновременный захват обоих типов носителей. Так как сечение захвата электронов и дырок на соответствующих ловушках мало, по сравнению с сечением их рекомбинации, то при этом значительная часть образованных радиацией носителей рекомбинирует до их захвата, и накопление объемного заряда не происходит.

Относительное изменение плотности заряда в оксидных пленках алюминия в результате облучения показано на рис. 7. При облучении наблюдалось образование положительного заряда, что свидетельствует о преимущественном захвате дырок, имеющимися в оксиде ловушками. Захват ловушками электронов с одной стороны, компенсирует заряд захваченных дырок, а с другой, уменьшает ток через диэлектрик. Оксидные пленки алюминия практически не содержат ионы щелочных металлов Na+, обладают низкой плотностью поверхностных состояний и стабильны к образованию ионизирующей радиацией дефектов. Радиационная стойкость пленочных диэлектриков играет важную роль при проектировании многих типов приборов, работающих при повышенных уровнях ионизирующего излучения.

Регулируя скорость введения и характеристики радиационных центров при облучении, тип, метод выращивания и уровень легирования материалов, интегральный поток и плотность облучения, температура образцов при облучении возможно целенаправленно изменять электрофизические свойства гетероструктур и электрические параметры приборов и интегральных схем.

Рис. 6. Зависимость плотности заряда в диэлектрике Al- Si3N4- SiO2- Si от дозы облучения

Рис. 7. Изменение плотности заряда в пленках Al2O3 от дозы облучения

Разработанные методы формирования радиационно-стойких гетероструктур, снижают образование заряда на границе раздела кремний-оксид кремния [12-14]. Сверхбольшие интегральные схемы, изготовленные по КНИ технологии по оптимизированной структуре, показывает хорошие результаты, даже при высоких дозах радиации. Устойчивость к накопленной дозе излучения повышается на три порядка.

Результаты исследования показывают, что:

- при воздействии ионизирующих излучений в диэлектрическом слое и на границе кремний - диэлектрик проявляются эффекты накопления положительного заряда в диэлектрике, роста плотности поверхностных состояний на границе кремний- диэлектрик. При интегральных потоках электронов менее 1012 см-2, в основном, проявляются радиационные эффекты в объеме диэлектрика, а при больших потоках начинает заметно сказываться влияние процессов увеличения плотности поверхностных состояний на границе раздела кремний- диэлектрик.

- стойкость пленок оксида алюминия Al2O3 к воздействию ионизирующих излучений обусловлена захватом на ловушки не только дырок, но и электронов. При малых дозах облучения преобладает влияние положительного заряда, а при насыщении положительных ловушек и дозах >106 рад начинает влиять отрицательный заряд, скапливающийся в оксиде алюминия Al2O3. Чем тоньше окисел, тем сильнее влияние заряда в оксиде алюминия Al2O3 и тем большим оказывается изменение суммарного заряда в диэлектрике.

- с увеличением дозы ионизирующих частиц плотность заряда в диэлектрике растет, достигает насыщения при дозе 108- 109 рад, а величина встроенного заряда и механические напряжения в двухслойных диэлектрических системах снижаются за счет образования промежуточного заряда на границе раздела диэлектриков и наличием потенциального барьера между ними.

Оптимизация технологии и структуры элементов БИС с учетом воздействия ионизирующих излучений обеспечивает снижение влияния радиационных эффектов на параметры полупроводниковых структур и повышения радиационной стойкости.

Библиография

1. Соколов Е.Б., Рыгалин Б.Н., Смирнов В.В. и др. Кремний и широкозонные нитриды - основа полупроводниковой энергетики // Известия высших учебных заведений. Электроника. 2005. № 4-5. С. 52- 57.

2. Комащенко А.В., Колежук К.В., Горбик П.П. и др. Высокоэффективные фотопреобразователи на основе полукристаллических гетероструктур соединений AIIBVI // Письма в Журнал технической физики. 2000. Т. 26. № 5. С. 1- 6.

3. Lee C.S., Hsu W.C., Liu H.Y. et al. Al2O3-Dielectric In0.18Al0.82N/AlN/GaN/Si Metal-Oxide-Semiconductor Heterostructure Field-Effect Transistors With Backside Substrate Metal-Trench Structure // IEEE Journal of the Electron Devices Society. 2018. V. 6. №1. P. 68- 73.

4. Петросянц К.О., Самбурский Л.М., Харитонов И.А. Влияние различных видов радиации на характристики кремний- германиевых гетеропереходных транзисторов // Электронная техника. Серия 2: Полупроводниковые приборы. 2014. № 1 (232). С. 3- 18.

5. Герасименко Н.Н., Мордкович В.Н. Радиационные эффекты в системе полупроводник - диэлектрик // Поверхность. Физика, химия, механика. 1987. №6. С. 5 19.

6. Z. He, S. Liu, J. Hu, H. Xu et al. Influence of the low-temperature AlN interlayers on the electrical properties of AlGaN/GaN heterostructure on Si substrate // IEEE Advanced Information Management, Communicates, Electronic and Automation Control Conference (IMCEC), Xi'an. 2016. P. 1298- 1301.

7. Мустафаев А.Г., Кумахов А.М., Мустафаев А.Г. Основные процессы, происходящие при воздействии ионизирующего излучения на полупроводниковые структуры, и способы повышения их радиационной стойкости // Вестник ДНЦ РАН. 2003. №13. С. 22- 28.

8. Мустафаев А.Г., Мустафаев Г.А. Радиационная стойкость КНИ МОП транзисторов к накопленной дозе ионизирующего излучения // Нано и микросистемная техника. №12. 2007. С. 47- 49.

9. Мустафаев А.Г., Мустафаев А.Г. Влияние накопленной дозы излучения на КМОП-транзисторы изготовленные по КНС технологии // Нано и микросистемная техника. №9. 2008. С. 44-46.

10. Мустафаев А.Г. Технология формирования кремниевых пластин со скрытым слоем // Нано и микросистемная техника. №10. 2007. С. 11- 14.

11. Першенков В.С., Попов В.Д., Шальнов А.В. Поверхностные радиационные эффекты в ИМС. М. - 1988. 255 с.

12. Мустафаев А.Г., Шаваев Х.Н., Мустафаев А.Г., Мустафаев Г.А Способ повышения радиационной стойкости полупроводниковых приборов // Пат. РФ №2308785. Бюл. №29. 2007.

13. Мустафаев А.Г., Тешев Р.Ш., Мустафаев А.Г. Способ повышения быстродействия полупроводниковых приборов // Пат. РФ №2197766. Бюл. №3. 2003.

14. Мустафаев А.Г., Тешев Р.Ш., Мустафаев А.Г. Способ изготовления полупроводникового прибора с низкой плотностью дефектов // Патент РФ №2210141, 2002.

Размещено на Allbest.ru