Радиационные эффекты в МОП-структурах с ультратонкими оксидами

Основные механизмы радиационных эффектов в ультратонких оксидах отличаются от механизмов для подзатворных оксидов средней толщины. Ультратонкими являются те оксиды, в которых накопленный в оксиде заряд может нейтрализовываться посредством туннелирования электронов как из затвора, так и с границы Si/SiO₂. Как было сказано в п. 3.3.5, расстояние, на которое распространяется вронт туннелирования вглубь оксида, определяется выражением (3.23). Фронт туннелирования можно описать для каждой границы. Если расстояние, на которое фронт туннелирования проникает в оксид, превосходит толщину оксида, то будут нейтрализованы все ловушки в оксиде. Вследствие туннелирования электронов из затвора и/или кремния в очень тонких оксидах (< 10 нм) происходит быстрая потеря ловушками захваченных дырок [13]. Это приводит к тому, что большое количество оксидных ловушек будет вести себя подобно граничным ловушкам (граничные ловушки — это ловушки в оксиде, которые могут обмениваться носителями заряда с кремнием в пределах времени электрических измерений). Фактически в случае очень тонких оксидов (< 6 нм) может вообще не быть «объемоподобных» ловушек, и все ловушки в оксиде потенциально могут вести себя как граничные ловушки. Таким образом, в случае ультратонких оксидов возможно отсутствие в чистом виде радиационно-индуцированного положительного заряда, захваченного в оксиде, а все ловушки могут вести себя электрически подобно ПС (справедливо как для ПС, так и для граничных ловушек).

Другое явление, связанное с ультратонкими подзатворными оксидами, — это
радиационно-индуцированный ток утечки (Radiation-Induced Leakage Current — RILC) [13]. RILC — это повышение тока утечки, наблюдаемое в слабых электрических полях и возникающее после облучения ультратонких подзатворных оксидов относительно высокими дозами ионизирующего излучения. Потенциально RILC может влиять на характеристики надежности прибора и имеет схожие черты с током утечки, появляющимся после нагрузки оксида сильными электрическими полями (SILC — Stress-Induced Leakage Current).

Эффект возникновения RILC иллюстрируется на рис. 3.37 [13]. Здесь показан график зависимости тока утечки I_G от напряжения затвора V_G для необлученного конденсатора с р-подложкой и конденсатора, облученного гамма-квантами ⁶⁰Со дозой 5,3 Мрад(Si) при подаче на затвор напряжения –0,3 В. Толщина оксида составляла 4,4 нм. ВАХ измерялись при развертке напряжения затвора от нуля до положительных значений. При низких значениях напряжения на затворе (электрического поля) для облученных конденсаторов I_G больше, чем для необлученных. При использованных в данных экспериментах напряжениях электрическое поле в оксиде меньше, чем необходимо для наблюдения SILC. Это предполагает, что большие значения I_G для облученных конденсаторов являются радиационно-индуцированными. Тот факт, что характеристики необлученных и облученных конденсаторов при больших электрических полях схожи, говорит о том, что радиационно-индуцированный заряд в оксиде незначителен [13]. RILC возрастает с уменьшением толщины оксида и увеличением дозы. С ростом дозы RILC увеличивается приблизительно линейно. Это говорит о том, что плотность нейтральных дефектов в оксиде приблизительно линейно возрастает с увеличением дозы.

Рис. 3.37. Зависимость тока утечки затвора от напряжения на затворе для необлученных конденсаторов и конденсаторов, облученных гамма-квантами ⁶⁰Со дозой 5,3 Мрад(Si) при подаче на затвор смещения –0,3 В. Толщина подзатворного диэлектрика составляла 4,4 нм. Большие значения тока утечки затвора облученных транзисторов при низких электрических полях определяются радиационно-индуцированным током утечки (RILC) [13]

Рис. 3.38. Схематическая диаграмма конденсатора с ультратонким подзатворным оксидом. RILC вызывается туннелированием электронов через оксид с участием ловушек в оксиде

RILC наблюдался при использовании широкого круга радиационных источников и частиц [13], включая гамма-источники ⁶⁰Со, линейные ускорители электронов с энергией 8 МэВ, рентгеновское излучение с энергией 10 кэВ, а также тяжелые ионы с большими и малыми линейными потерями энергии (ЛПЭ). Для ионов с низкими значениями ЛПЭ и фотонов RILC проявляется схожим образом, несмотря на то, что ЛПЭ тяжелых ионов и генерированных фотонами вторичных электронов различаются на порядки величины. В случае воздействия тяжелых ионов с высокими ЛПЭ ток утечки затвора возрастает вследствие начала радиационно-индуцированного мягкого пробоя [13].

Механизм возникновения RILC приписывается неупругим процессам туннелирования, протекающим с помощью нейтральных ловушек в оксиде [13]. Данный механизм проиллюстрирован на рис. 3.38. При воздействии ионизирующего излучения в объеме оксида создаются нейтральные электронные ловушки. При подаче на затвор положительного напряжения электроны из зоны проводимости кремния могут туннелировать вначале на нейтральные электронные ловушки, а затем — в затвор. Поскольку RILC вызывается электронным туннелированием, то он будет сильно зависеть от толщины оксида, возрастая с ее уменьшением. Данная модель подтверждается решением квантово-механического уравнения Шредингера для вероятности туннелирования электрона через оксид [13]. При использовании двойного Гауссовского пространственного и энергетического распределения нейтральных электронных ловушек было достигнуто согласие между результатами моделирования и экспериментальными данными. Похоже, что нейтральные электронные ловушки создаются при захвате радиационно-индуцированных в оксиде дырок E’-центрами [13] (измерения ЭПР показали корреляцию между E’-центрами и RILC). На распределение нейтральных ловушек влияет подаваемое при облучении электрическое поле, в результате чего RILC зависит от напряжения. Для азотированных ультра-тонких оксидов максимум RILC возникает при приблизительно нулевом электрическом поле в оксиде.

3.4.4 Некоторые особенности дозовых радиационных эффектов в
МДП-структурах с альтернативными диэлектриками

С момента разработки МОП ИС основным подзатворным диэлектриком был диоксид кремния. По мере развития технологии ИС толщина подзатворного SiO₂ становится крайне малой. Она может достигнуть такого значения, когда электронное туннелирование приведет к чрезмерно большому росту энергопотребления. Чтобы обойти эту проблему исследовались альтернативные подзатворные диэлектрики с высокими значениями диэлектрической константы (также называемые «high-k-диэлектрики»). При более высоких значениях диэлектрической константы можно использовать более толстые диэлектрики для получения той же емкости, что и в случае тонкого подзатворного SiO₂. Для этих толстых диэлектриков с большой диэлектрической константой понижается влияние электронного туннелирования, а захваченный в оксиде заряд может быть более значимым.

В настоящее время имеется очень мало информации о радиационной стойкости диэлектриков, рассматриваемых в качестве замены SiO₂. В следствие того, что толщина подзатворных диэлектриков будет больше, а для их осаждения или выращиваются используются различные методы, возможно, что эти диэлектрики будут захватывать значительно больше заряда, чем тонкий термически выращенный подзатворный SiO₂. В результате радиационно-индуцированное накопление заряда вновь может влиять на радиационную стойкость ИС.

Одним из распространенных в настоящее время альтернативных диэлектриков является диоксид гафния HfO₂. Диоксид гафния имеет более высокую диэлектрическую константу (~25) по сравнению с SiO₂ (~3,9). Он в меньшей степени по сравнению со многими другими рассматриваемыми диэлектриками вступает в реакции с поликремнием и дает хорошие результаты по ряду надежностных характеристик, таких как генерированный электрическим полем ток утечки (SILC), зависящий от времени пробой диэлектрика, и среднее время наработки на отказ [13].

На рис. 3.39 представлены дозовые зависимости сдвига напряжения середины зоны для конденсаторов с диэлектриком из оксида гафния, облученных рентгеновскими лучами с энергией кванта 10 кэВ при подаче во время облучения напряжения 0 и 3 В [13]. Физическая толщина подзатворного оксида гафния составляла 32 нм. Это соответствует эквивалентной толщине оксида (EOT — equivalent oxide thickness) 5 нм (имеется в виду эквивалентная толщина SiO₂, соответствующая тому же значению емкости затвора). В предположении, что в середине зоны заряд ПС нейтрален (что для оксида гафния требует подтверждения), сдвиг напряжения середины зоны равен сдвигу напряжения за счет накопленного в оксиде заряда. Сдвиг напряжения середины зоны относительно большой. После облучения дозой 900 крад(SiO₂) сдвиг напряжения превышает 1 В в случае конденсаторов, облученных с подачей смещения 3 В, и приблизительно 0,8 В в случае конденсаторов, облученных при нулевом смещении. Эти сдвиги соответствуют приблизительно 50-процентному захвату дырок. Можно ожидать, что для более актуальных для практического использования толщин диоксида гафния (ЕОТ < 2 нм), которые будут востребованы для производства БИС передовых технологических вариантов, сдвиг напряжения должен быть значительно меньшим, в предположении, что радиационная стойкость диэлектриков из оксида гафния повышается с уменьшением толщины диэлектрика аналогично SiO₂.

Рис. 3.39. Дозовые зависимости сдвига напряжения середины зоны для конденсаторов на основе диоксида гафния, облучаемых рентгеновскими квантами с энергией 10 кэВ при подаче смещения 0 и 3 В. Эквивалентная толщина оксида (EOT) составляет 5 нм, а физическая
толщина диоксида гафния — 32 нм [13]

Другим более детально исследованным альтернативным диэлектриком является переокисленный азотированный оксид (RNO — reoxidized nitrided oxide). Азотированные оксиды имеют плотность микроканалов меньшую, чем в SiO₂, могут быть выращены при высокой температуре, что дает лучшую однородность, меньшие механические напряжения и фиксированный заряд, и могут препятствовать диффузии легирующих примесей через диэлектрик, влияющей на удельное сопротивление канала [13]. Эти свойства делают азотированные оксиды и RNO привлекательными для использования в качестве ультра-тонких подзатворных диэлектриков в коммерческих и радиационно-стойких приборах. В ряде экспериментов было показано, что RNO превосходят термические оксиды по радиационной стойкости и деградации, обусловленной горячими носителями [13].

Азотирванные оксиды могут быть изготовлены несколькими различными методами. Одним из прямых методов является отжиг термических оксидов в среде аммиака (NH₃). Отжиг в среде аммиака дает высокую концентрацию азота в диэлектрике с максимумами вблизи обеих границ. Азотирование термических оксидов может привести к образованию в них большое количества электронных ловушек [13]. Электронные ловушки определяют высокие исходные (до облучения) значения порогового напряжения и низкую подвижность носителей. Азотированные оксиды могут быть переокислены путем высокотемпературного кислородного отжига, что приводит к образованию RNO. Переокисление азотированных оксидов снижает количество азота в объеме диэлектрика и на границе с затвором, оставляя большой пик вблизи границы диэлектрик/кремний. RNO-процессы можно оптимизировать для получения транзисторов с исходной плотностью ПС, сравнимой с величиной, характерной для термических оксидов. Переокисление также понижает количество электронных ловушек [13], что приводит к более высоким исходным (до облучения) концентрациям фиксированного заряда.

Основным отличием в радиационном отклике между термическими оксидами и RNO является почти полное отсутствие накопления ПС в случае использования RNO-диэлектриков. Можно создать RNO-диэлектрики, в которых не будет никакого измеримого накопления ПС при облучении дозами свыше 50 Мрад(Si) [13]. Это делает затворные системы с RNO привлекательными для космических применений. В тех случаях, когда при облучениии наблюдается некоторое накопление ПС, после облучения количество ПС не увеличивается со временем [13]. Это, скорее всего, происходит из-за того, что водород, высвобожденный в объеме диэлектрика или вблизи границы (который отвечает за накопление ПС в термических оксидах), не может проникать в богатый азотом слой оксинитрида вблизи границы и образовывать поверхностные ловушки.

Рис. 3.40. Дозовые зависимости изменения напряжения середины зоны для транзисторов с RNO- и термическим подзатворными оксидами толщиной 37 нм [13]. Напряжение середины зоны соответствует сдвигу порогового напряжения, обусловленному накопленным в оксиде зарядом

Можно изготовить RNO-диэлектрики так, чтобы величина накопленного в оксиде заряда была меньше или сравнима с величиной, характерной для термических оксидов.
На рис. 3.40 [13] представлены графики дозовых зависимостей сдвига напряжения середины зоны для р-канальных транзисторов, изготовленных с применением стойкого оксида и RNO. Толщина оксида и RNO-диэлектрика составляла 37 нм, а уровень фиксированного заряда до облучения составлял ~3×10¹⁰ и 10¹¹ см^–2 соответственно. В середине зоны заряд ПС нейтрален, следовательно, сдвиг напряжения середины зоны соответствует сдвигу порогового напряжения, обусловленному зарядом, захваченным в оксиде. Напряжение при облучении составляло +5 В в случае стойких оксидов и как +5, так и –5 В в случае RNO-оксидов. После облучения дозой 10 Мрад(SiO₂) величина накопленного в оксиде заряда в случае стойких оксидов более чем в 2 раза выше, чем в случае RNO-оксидов. Следует отметить, что в случае транзисторов с RNO-оксидами сдвиги напряжения приблизительно одинаковы как при +5, так и при –5 В во время облучения.

Для определения микроструктуры точечных дефектов в азотированных диэлектриках были проведены исследования азотированных и переокисленных азотированных диэлектриков методом ЭПР [13]. Азотирование термических оксидов ведет к снижению числа радиационно-индуцированных E’-центров. Кроме того, азотирование создает предшественников для дефектных центров мостикового азота. Центр мостикового азота представляет собой атом азота, соединенный с двумя атомами кремния. При этом две связи азота остаются доступными для захвата заряда. Переокисление вызывает повышение числа радиационно-индуцированных E’-центров и снижает число предшественников мостикового азота. Центры мостикового азота отвечают за захват электронов в азотированных оксидах. E’-центры, присутствующие после переокисления, отличаются от характерных для термических оксидов тем, что они электрически нейтральны в парамагнитном состоянии [13]. Таким образом, большинство E’-центров в RNO-диэлектриках, по-видимому, не связано с радиационно-индуцированным зарядом в оксиде. В экспериментах по стравливанию, проводимых на азотированных и RNO-диэлектриках, было получено, что распределение центров мостикового азота имеет пик вблизи границы затвор/SiO₂, а радиационно-индуцированные E’-центры расположены однородно по толщине диэлектрика (в случае термических оксидов радиационно-индуцированные E’-центры могут располагаться вблизи границы Si/SiO₂). Таким
образом, процесс азотирования изменяет распределение радиационно-индуцированных
E’-центров.