Особенности проявления дозовых радиационных эффектов в микросхемах, изготовленных по КНИ-технологии

Технология «кремний на изоляторе» (КНИ) активно исследуется в целях создания радиационно-стойких схем на протяжении более чем двадцати лет. С недавнего времени она становится основным технологическим направлением в производстве коммерческих ИС. Главной особенностью, делающей технологию КНИ привлекательной для радиационно-стойких и коммерческих применений, является то, что КНИ-транзисторы созданы на слое оксида, а не на кремниевой подложке. Это дает преимущества КНИ ИС по сравнению с аналогичными микросхемами, изготовленными по объемной или эпитаксиальной технологии.
В стандартном тонкопленочном КНИ-транзисторе области истока и стока простираются на всю толщину верхнего слоя кремния, типичные значения которой не превышают 200 нм.
За исключением того, что КНИ-транзисторы создаются на оксиде, процессы в технологии КНИ сильно схожи с процессами в объемной кремниевой технологи.

По существу, каждый КНИ-транзистор включает в себя два транзистора: стандартный транзистор с верхним затвором, состоящий из истока, стока и подзатворного оксида, и паразитный транзистор с нижним (обратным) затвором, состоящий из истока и стока основного транзистора, а также скрытого оксида (этот оксид играет в паразитном транзисторе роль подзатворного диэлектрика). Подложка в транзисторе с обратным затвором выполняет роль контакта затвора. В настоящее время используются два основных типа КНИ-транзисторов (с верхним затвором): частично обедненный и полностью обедненный транзисторы. В частично обедненном транзисторе ОПЗ в теле транзистора (в области, лежащей под затвором), созданная верхним затвором, не распространяется на весь верхний слой кремния. Вследствие того, что между обедненной областью верхнего затвора и границей кремний/скрытый оксид имеется область необедненного кремния, накопление заряда в скрытом оксиде не влияет напрямую на характеристики частично обедненного транзистора (например, на его пороговое напряжение). В полностью обедненном транзисторе ОПЗ, образованная верхним затвором, распространяется на всю толщину КНИ-слоя. В этом случае транзистор с верхним затвором электрически связан с транзистором с нижним затвором, и радиационно-индуцированное накопление заряда в скрытом оксиде будет напрямую влиять на характеристики транзистора с верхним затвором. То, каким будет транзистор, частично или полностью обедненным, главным образом определяется толщиной слоя кремния и уровнем легирования области тела. Для получения полностью обедненного транзистора нужно использовать очень тонкий и/или слабо легированный слой кремния.

То, что КНИ-транзисторы создаются на слое изолятора, дает им некоторые преимущества по сравнению с транзисторами, изготовленными по стандартной объемной кремниевой технологии. Преимуществом технологии КНИ является то, что здесь получаются значительно меньшие площади p-n-переходов, чем в случае объемной кремниевой технологии.
В результате в КНИ-транзисторе паразитные емкости будут меньше, чем в стандартном объемном кремниевом транзисторе. В свою очередь, это дает большее быстродействие и меньшее энергопотребление, чем для эквивалентных схем, созданных по объемной кремниевой технологии. На рис. 3.44 представлены зависимости времени выборки от напряжения питания для микросхем СОЗУ емкостью 512 к, изготовленных по КНИ и объемной кремниевой технологии с топологической нормой 0,25 мкм [13]. Из этих данных видно, что КНИ-схемы могут работать при меньших уровнях напряжения питания и с меньшим временем выборки по сравнению со схемами, изготовленными по объемной кремниевой технологи. Кроме того, отсутствие каналов проводимости под КНИ-транзистором также исключает возможность защелкивания p-n-p-n-структур.

Рис. 3.44. Сравнение зависимостей времени доступа от напряжения питания для СОЗУ емкостью 512 к, изготовленных по КНИ и объемной кремниевой технологи [13]

Другим предполагаемым преимуществом КНИ-схем является то, что заряд, индуцированный тяжелыми ионами, собирается только в тонком слое кремния, лежащем под затвором, а электронно-дырочные пары, созданные в скрытом оксиде и подложке, не дают вклада в общий сбор заряда. Это приводит к существенно меньшим значениям собранного заряда по сравнению со схемами, изготовленными по объемной кремниевой технологии, в результате чего КНИ-схемы гораздо менее чувствительны к одиночным событиям при воздействии отдельных заряженных частиц космического пространства.

Радиационная стойкость КНИ ИС может сильно ограничиваться вследствие эффектов плавающей подложки, возникающих по причине того, что область тела транзистора (область, лежащая под затвором) не соединяется напрямую с внешними контактами, т.е. она «плавает». Генерированные в теле транзистора (как при прохождении тяжелого иона, так и при воздействии импульсного ионизирующего излучения) носители заряда, не могут эффективно покидать данную область. Это приведет к эффектам плавающей подложки. Например, электроны, генерированные в теле n-канального транзистора, будут быстро собираться в стоке (при нормальном электрическом смещении). С другой стороны, поскольку время жизни дырок в р-области очень велико, то они могут остаться в области тела транзистора и будут дрейфовать к области с наименьшим потенциалом (обычно это исток). Когда дырки окажутся вблизи истока, они понизят потенциальный барьер исток-подложка (тело), что вызывает инжекцию избыточных электронов из истока в тело транзистора, которые, в свою очередь, могут быть собраны, давая избыточный ток стока. Этот переходной эффект плавающей подложки может значительно увеличить заряд, собранный после прохождения тяжелого иона или после воздействия высокоинтенсивного импульса ионизирующего излучения, по сравнению со случаем, когда на область тела подан извне фиксированный потенциал (фиксированная подложка или тело). Если электрическое поле вблизи области стока достаточно велико, то при дрейфе электронов к стоку посредством ударной ионизации могут генерироваться дополнительные электронно-дырочные пары. Эти электроны или дырки могут также образовать дополнительные электронно-дарочные пары, приводя к резкому возрастанию тока, называемому snapback или защелкиванием отдельного транзистора [13]. Для снижения влияния эффектов плавающего тела часто используется соединение тела транзистора с истоком, но это обычно увеличивает площадь прибора.

Стойкость КНИ-транзисторов к воздействию поглощенной дозы зависит от радиационной стойкости трех оксидов: подзатворного оксида, полевого оксида или боковой изоляции и скрытого оксида. Механизмы радиационно-индуцированной деградации подзатворного оксида МОП/КНИ-транзисторов идентичны механизмам, рассмотренным выше для подзатворных диэлектриков МОП-транзисторов (см. п. 3.3), изготовленных по объемной кремниевой технологии. В большинстве современных КНИ-схем для изоляции транзисторов используется LOCOS или STI. Радиационная стойкость этих оксидов обсуждалась в п. 3.4.5. В технологических вариантах КНИ с использованием мезаизоляции также имеются боковые оксиды. В данном случае боковой оксид появляется, если подзатворный оксид простирается за края кремниевых островков. При этом он образует паразитный транзистор, включенный параллельно верхнему транзистору (основному). В некоторых случаях боковой оксид менее устойчив к воздействию радиации, чем верхний (подзатворный) оксид, и может сильно увеличить ток утечки транзистора. Утечка, индуцированная боковым оксидом, приводит к появлению на ВАХ МОП-транзистора выступа (или плеча) схожего с выступом, появляющимся на ВАХ объемных кремниевых МОП-транзисторов вследствие влияния паразитного транзистора на полевом оксиде (см. рис. 3.43). При правильном изготовлении боковой изоляции от боковых утечек можно избавиться [13]. Например, можно применять сильное легирование боковых областей путем селективной имплантации для повышения порогового напряжения паразитного бокового транзистора, что даст снижение его важности с точки зрения радиационного отклика.

Важнейшим отличием в радиационном отклике транзисторов, изготовленных по КНИ-технологии и объемной кремниевой технологии, является радиационно-индуцированное накопление заряда в скрытом оксиде КНИ-транзисторов. При воздействии ионизирующего излучения на скрытый оксид КНИ-структур там будет накапливаться радиационно-индуцированный заряд. Этот заряд является преимущественно положительным, и он может инвертировать нижнюю границу области канала (тела транзистора), образуя канал утечки между истоком и стоком основного транзистора, как показано на рис. 3.45. Здесь же показана схема включения при исследованиях ВАХ паразитного транзистора с нижним затвором. Для простоты на рис. 3.45 показано, что накопление заряда в скрытом оксиде идет вблизи границы скрытого оксида и нижней части тела транзистора. Однако, в общем случае, заряд будет захватываться по всему скрытому оксиду. Инверсия нижней части области канала может привести к большому росту тока утечки частично обедненного транзистора. В полностью обедненном транзисторе, вследствие того, что основной транзистор с верхним затвором электрически связан с паразитным транзистором с нижним затвором, радиационно-индуцированное накопление заряда в скрытом оксиде приведет к снижению порогового напряжения основного транзистора.

Рис. 3.45. Иллюстрация образования канала утечки в нижней части тела транзистора вследствие накопления заряда в скрытом оксиде и схема включения при исследовании ВАХ паразитного транзистора с нижним затвором

Простым методом измерения величины накопленного в скрытом оксиде радиационно-индуцированного заряда является измерение порогового напряжения паразитного транзистора с нижним затвором. Схема подачи смещений при измерении ВАХ транзистора с нижним затвором показана на рис. 3.45. Схема подачи смещений и условия измерений аналогичны используемым при измерениях ВАХ основного транзистора с верхним затвором за исключением того, что напряжение затвора прикладывается к подложке. Накопление в скрытом оксиде положительного заряда может вызвать большие отрицательные сдвиги ВАХ транзисторов с нижним затвором. Как только величина накопленного заряда становится достаточно большой для повышения тока утечки при нулевом напряжении на нижнем затворе, начинает возрастать ток утечки транзистора с верхним затвором. Этот ток утечки, появившийся вследствие накопления в скрытом оксиде радиационно-индуцированного заряда, не позволяет полностью отключить основной транзистор. Если он достаточно велик, то он может вызвать параметрический отказ, а в потенциале и функциональный отказ КНИ ИС.

Радиационный отклик скрытого оксида в большой степени зависит от условий технологических процессов. Для получения КНИ-структур чаще всего используются два основных метода: имплантация кислорода (SIMOX) и соединение пластин. SIMOX-подложки получаются при имплантации в кремний больших флюенсов ионов кислорода с последующим отжигом для образования скрытого оксида при очень высоких температурах (например, 1350 °С). Соединенные КНИ-структуры получают путем выращивания оксида на поверхности одной пластины и последующего ее соединения со второй пластиной. Существуют многочисленные методы для получения тонких верхних слоев кремния в КНИ-структурах. Общим для всех процессов соединения пластин является высокотемпературный отжиг для создания крепкого соединения (порядка 1100 °С). Высокотемпературный отжиг, присутствующий при изготовлении КНИ-структур (как SIMOX, так и соединенных) вызывает обратную диффузию кислорода из скрытого оксида, что приводит к образованию многочисленных кислородных дефектов. Эти дефекты могут привести к радиационно-индуцированному захвату заряда. Естественно ожидать, что имплантация с большими флюенсами, используемая при изготовлении SIMOX-подложек (и некоторых подложек с соединенными оксидами), может вызвать возникновение в скрытом оксиде многочисленных дефектов, связанных с имплантацией. В ряде работ было показано, что вплоть до 100 % генерированных радиацией дырок захватывается в объеме оксида на глубокие ловушки вблизи места образования. На рис. 3.46 [13] показан пример дозовых зависимостей сдвига порогового напряжения для двух структур: SIMOX и полученных соединением пластин (Unibond). Данные приведены для сдвига порогового напряжения паразитных транзисторов с нижним затвором, изготовленных с использованием технологий SIMOX и Unibond (производитель — SOITEC), облученных гамма-квантами ⁶⁰Со с мощностью дозы 50 рад(SiO₂)/с в пассивном режиме (V_GS = V_S = V_DS = 0 В) и в выключенном (OFF) состоянии (V_GS = V_S = 0 В; V_DS = 5 В). В случае структур, изготовленных по технологии Unibond, наблюдается больший сдвиг порогового напряжения транзистора с нижним затвором при облучении в выключенном (OFF) состоянии по сравнению с SIMOX-структурами. После захвата некоторые дырки медленно нейтрализуются электронами посредством термической эмиссии при комнатной температуре [13]. Кроме захвата дырок также по всему объему скрытого оксида протекает захват электронов [13]. Большинство захваченных электронов в течение < 1 с после воздействия импульса ионизирующего излучения покидают ловушки вследствие термической эмиссии при комнатной температуре. После эмиссии электронов результирующий заряд определяется концентрацией захваченных дырок, что дает большой отрицательный сдвиг порогового напряжения для скрытого оксида.

Рис. 3.46. Сдвиг порогового напряжения паразитного транзистора для КНИ-структур, изготовленных по технологиям SIMOX и Unibond [13]

Для уменьшения влияния захвата радиационно-индуцированного заряда в скрытом оксиде на работоспособность транзисторов используются различные методы. Эти методы можно разделить на две основные категории: методы уменьшения величины захваченного положительного радиационно-индуцированного заряда и методы уменьшения влияния захваченного радиационно-индуцированного заряда на работоспособность транзисторов.

Одним из методов снижения величины захваченного радиационно-индуцированного положительного заряда является имплантация в оксид атомов кремния [13]. При этом в скрытом оксиде образуются электронные ловушки. Заполняясь, эти электронные ловушки компенсируют захваченный положительный заряд, снижая чистую величину положительного заряда в оксиде. Для снижения радиационно-индуцированного захвата заряда исследовались иные условия имплантации и отжига при изготовлении SIMOX-структур. Например, скрытые оксиды, изготовленные с использованием дополнительных и многократных операций имплантации и отжига, меньше деградируют при воздействии радиации, чем скрытые оксиды, изготовленные с одним циклом имплантации. При использовании многократных имплантаций значительно снижаются как число радиационно-индуцированных ПС, так и концентрация захваченного в оксиде заряда [13]. В качестве метода повышения стойкости скрытых оксидов также предлагалось понижение дозы имплантации кислорода и имплантация азота. Улучшение стойкости скрытых оксидов, отожженных в азоте, было объяснено образованием граничного слоя оксинитрида [13].

Для минимизации утечек по каналам, образующимся на границе с захороненным оксидом, можно использовать глубокую имплантацию германия. При этом создаются дефекты в области тела транзистора вблизи этого паразитного канала. Эти дефекты будут понижать подвижность носителей в канале утечки и повышать пороговое напряжение транзистора с нижним затвором путем фиксирования уровня Ферми обратного канала. Это помогает подавлять радиационно-индуцированный ток утечки по обратному каналу в случае полностью обедненных транзисторов [13].

Структурой, в которой понижается влияние на работоспособность транзистора радиационно-индуцированного заряда, захваченного в скрытом оксиде, является полевой транзистор с телом, расположенным под истоком (BUSFET — body-under-source field effect transistor). BUSFET схож со стандартным КНИ-транзистором за исключением того, что область истока распространяется не на всю толщину КНИ-слоя, а только на ее часть. Следует отметить, что область стока при этом распространяется на всю толщину КНИ-слоя, поскольку в противном случае значительно снизится стойкость транзистора к эффектам мощности дозы и одиночным сбоям вследствие появления дополнительной площади перехода. Поперечный разрез BUSFET показан на рис. 3.47 [13].

Характерной чертой BUSFET является контакт к области тела транзистора, осуществляемый с помощью р⁺-контактной области по всей ширине транзистора. При накоплении радиационно-индуцированного заряда в скрытом оксиде инвертируется поверхность кремния, граничащая со скрытым оксидом. Однако так как исток только частично проникает вглубь слоя кремния, то инверсионный слой не образует проводящего канала между истоком и стоком основного верхнего транзистора и не повышает его ток утечки. До тех пор, пока обедненная область, образованная электронным слоем, не соединится с обедненной областью истока, между истоком и стоком будет отсутствовать проводящий путь. Использование конструкции BUSFET позволяет повысить радиационную стойкость КНИ-транзисторов до уровней доз порядка единиц мегарад, в то время как в случае обычных КНИ-транзисторов ток утечки, связанный с образованием канала вблизи скрытого оксида, начинает существенно возрастать уже при дозах порядка сотен килорад.

Рис. 3.47. Поперечный разрез транзистора BUSFET с поверхностным истоком (при инверсии нижней части тела транзистора, вызванной накоплением заряда в скрытом оксиде, между истоком и стоком не образуется проводящий канал)

Существуют и другие методы минимизации тока утечки по обратному каналу. Например, в n-канальных транзисторах для снижения тока утечки по обратному каналу применяется глубокая имплантация бора [13]. Если имеется возможность, то можно прикладывать к подложке отрицательное смещение, что снизит ток утечки по обратному каналу в n-канальном транзисторе не оказывая влияния на работоспособность р-канального транзистора. Также для устранения эффектов обратного канала можно создавать КНИ-транзисторы с конструкцией gate-all-arround [13], где подзатворный оксид полностью окружает область тела (и сверху, и снизу) и поэтому отсутствуют обратные каналы.

В скрытых оксидах КНИ-структур с помощью метода ЭПР было идентифицировано несколько типов микроструктуры дефектов, отвечающих за накопление заряда. Наиболее широко исследованными являются структуры, изготовленные по SIMOX-технологии. В SIMOX-структуре все дефекты в скрытом оксиде связаны с избыточным кремнием. Это говорит о том, что источником дефектов является высокотемпературный отжиг, проводимый после имплантации для образования скрытого оксида [13]. Основным дефектом, идентифицированным в SIMOX-структурах с помощью ЭПР, является E’_g-центр, аналогичный тем, что содержатся в подзатворном оксиде. Однако в скрытых оксидах, в отличие от подзатворных, изменение числа E’_g-центров не коррелирует с изменением положительного заряда. Следовательно, E’_g-центр не является основным источником накопления радиационно-индуцированного заряда в скрытых оксидах. По-видимому, изменение положительного заряда определяется не только E’_g-центрами, но и электронными ловушками. Кроме E’_g-центров было обнаружено несколько других типов дефектов. Одним из них является относительно новый класс дефектов, который был отнесен к делокализованным спиновым центрам [13]. Данный центр делокализован в том смысле, что неспаренный электрон не связан с каким-нибудь одним отдельным атомом.