Особенности накопления поверхностных состояний при радиационном облучении

При подаче на затвор положительного смещения сразу после воздействия радиационного импульса (в течение нескольких миллисекунд) может наблюдаться некоторое «раннее» накопление ПС [13, 41–43]. Данный процесс не наблюдается при подаче на затвор отрицательного напряжения. Это говорит о том, что раннее накопление ПС скорее всего определяется не прямым взаимодействием ИИ с облучаемым материалом, а вызывается вторичными процессами, протекающими при радиационном облучении. Раннее накопление обычно составляет небольшую часть от общего количества плотности ПС, образовавшихся вследствие воздействия ИИ (менее 25 % от общего количества образовавшихся ПС), и зависит от технологии изготовления прибора [42].

Большая часть ПС накапливается в течение более длительного времени: от секунд до тысяч секунд после воздействия радиационного импульса [13, 44]. На рис. 3.20 показан график роста плотности ПС DD_it в зависимости от времени после воздействия высокоинтенсивных импульсов ионизирующего излучения. Плотность ПС — это среднее число ПС в данном интервале запрещенной зоны, и она имеет единицы измерения 1 см^–2×эВ^–1. Данные, представленные на этом рисунке, были получены на транзисторах с поликремниевым затвором, облученных на линейном ускорителе электронов (LINAC) дозой до 75 крад(Si) за 5, 70 и 572 импульса при частоте повторений 4 Гц. Толщина подзатворного диэлектрика составляла 47 нм, а напряженность электрического поля в оксиде при облучении и отжиге была равна 1 МВ/см. В этих экспериментах накопление ПС началось с момента первого измерения (1 с для данных с 5 импульсами). Однако насыщение накопления ПС не началось вплоть до ~10⁵ с. Такое поведение типично для накопления ПС. Для кривой, соответствующей облучению 5-ю импульсами, время 50-процентного накопления t_1/2 составляет приблизительно 35 с.

Рис. 3.20. Кинетика накопления плотности ПС после облучения с помощью линейного ускорителя электронов LINAC [44]

Если при облучении и отжиге поддерживается отрицательное напряжение, то наблюдается малое или незначительное накопление ПС. Однако если после облучения при отрицательном напряжении подать при отжиге положительное смещение на затвор, то может наблюдаться накопление ПС. Это хорошо иллюстрируется на рис. 3.21 [45]. Здесь показано изменение плотности ПС в зависимости от времени после воздействия импульса ИИ (от 25 до 40 крад(Si) за одиночный импульс с длительностью 1,5 мкс) для транзисторов с поликремниевым затвором. Толщина подзатворного оксида составляла 35 нм. Для данных, обозначенных как «контрольная кривая», при облучении и отжиге поддерживалось постоянное напряжение смещения +2 В. Из рис. 3.21 видно, что скорость накопления ПС хорошо согласуется с результатами, представленными на рис. 3.20. Для данных, обозначенных «0,001 с», «0,01 с», «300 с» и «1000 с», во время облучения и на начальной стадии отжига поддерживалось отрицательное смещение составляло –2 В, а затем в обозначенный момент времени смещение переключалось на +2 В. При переключении смещения спустя 0,001 с после облучения изменение плотности ПС составило около 85 % от значения, полученного в контрольном эксперименте (постоянное смещение +2 В). Следует отметить, что в случае переключения смещения через 0,001 с после облучения, начальное накопление ПС стало проявляться приблизительно через 10 с, в то время как для контрольных данных накопление ПС наблюдалось уже в момент первого измерения (~ 0,3 с). Большее время начального накопления в экспериментах с переключением смещения, похоже, вызвано тем, что при облучении с подачей отрицательного смещения дырки перемещаются по направлению к границе затвор-SiO₂, высвобождая ионы водорода вблизи границы затвор-SiO₂ и/или в объеме оксида. Большее время накопления определяется временем, которое требуется для дрейфа ионов водорода к границе Si/SiO₂ после переключения смещения на положительное. На границе ионы водорода могут вступать в реакции, сопровождающиеся образованием ПС (механизм накопления ПС будет рассмотрен в последующих пунктах). При облучении с подачей положительного смещения дырки переносятся к границе Si/SiO₂, и ионы водорода высвобождаются значительно ближе к этой границе, в результате чего время дрейфа ионов водорода к границе Si/SiO₂ существенно меньше. Чем дольше включено отрицательное смещение, темь меньше будет накоплено ПС. При переключении смещения спустя 300 или 1000 с после облучения наблюдается очень малое накопление ПС.

Рис. 3.21. Изменение плотности ПС в зависимости от времени после облучения для транзисторов, облученных и отожженных при подаче смещения +2 В (контрольная кривая), и для транзисторов, облученных и отожженных сперва при подаче смещения –2 В с последующим отжигом при подаче смещения +2 В (переключение полярности приложенного смещения осуществлялось в указанные на рисунке моменты времени после воздействия импульса ИИ)

Скорость накопления ПС зависит от температуры отжига после облучения
[13, 42, 46]. На рис. 3.22 [42] показаны графики зависимостей изменения плотности ПС, приходящегося на единицу дозы, от времени в диапазоне температур от 278 до 375 К для транзисторов с поликремниевым затвором, облученных одиночным импульсом ИИ с длительностью 1,5 мкс дозой 50 крад(Si). Электрическое поле в оксиде при облучении и отжиге составляло 2 МВ/см (V_GS = +5,2 В). Толщина оксида равнялась 26 нм. Видно, что с повышением температуры отжига возрастает скорость накопления ПС. Для этих приборов энергия активации для накопления ПС составляет ~ 0,71 эВ. Близкие значения энергии активации (0,79 эВ) были получены для транзисторов с поликремниевым затвором и толщиной подзатворного оксида 42 нм, а также для конденсаторов с металлическим затвором и толщиной подзатворного оксида 96,5 нм (0,8 эВ) [61]. При низких температурах (< 150 К) накопление ПС значительно замедляется.

Рис. 3.22. Накопление ПС после воздействия импульса радиации при температурах от 278 до 375 К [42]

В случае низкоинтенсивного облучения температура, при которой проводится облучение, может оказывать существенное влияние на количество радиационно-индуцированных ПС. На рис. 3.23 [47] показаны графики зависимостей DV_th, DV_it и DV_ot от температуры для транзисторов, облученных дозой 500 крад(Si) при мощности дозы 0,27 рад(Si)/с и при
различных температурах от 25 до 125 °С. Облучение проводилось с подачей на затвор смещения 5 В. Все измерения проводились при комнатной температуре. Видно, что с повышением температуры облучения возрастает величина накопленного радиационно-индуцированного заряда. В транзисторах, облученных при температуре 125 °С, число ПС приблизительно в два раза выше, чем в транзисторах, облученных при 25 °С. Столь значительный рост плотности ПС, вкупе с небольшим снижением заряда в оксиде, приводит к тому, что пороговое напряжение транзисторов, облученных при высокой температуре (125 °С), оказывается существенно выше, чем у транзисторов, облученных при меньших температурах. Данный эффект нельзя объяснить, основываясь только на данные по радиационному отклику при комнатной температуре и на зависимость порогового напряжения от температуры до облучения [13]. Эти данные говорят о том, что температура при облучении оказывает существенное влияние на физические процессы, определяющие накопление заряда в оксиде и увеличение плотности ПС.

Рис. 3.23. Зависимость DV_ot, DV_it и DV_th от температуры при облучении [47]

В случае облучения транзисторов при нулевом смещении на затворе существенное изменение порогового напряжения не наблюдается. На рис. 3.24 [47] показан график зависимости сдвига порогового напряжения от температуры облучения для транзисторов, облученных дозой 500 крад(Si) при напряжении на затворе 0 и 5 В. Видно, что при облучении с нулевым смещением на затворе сдвиг порогового напряжения практически не зависит от температуры облучения. Различие в отклике в случае облучения при подаче на затвор смещения 0 и 5 В могут привести к значительному «дисбалансу» (1,6 В при 125 °С) пороговых напряжений включенных («ON») и выключенных («OFF») транзисторов, что может вызвать непредсказуемый отказ ИС. Это может быть особенно важным для электроники космических систем, работающей при повышенных температурах (например, платформы с бортовыми реакторами).

Рис. 3.24. Изменение сдвига порогового напряжения в зависимости от температуры облучения для транзисторов, облученных при подаче напряжения затвор-исток 0 и 5 В [47]

Для транзисторов с поликремниевыми затворами зависимость накопления ПС от электрического поля сильно схожа с зависимостью от электрического поля накопления заряда в оксиде: при напряженности электрического поля свыше 0,5 МВ/см величина накопленного заряда ПС спадает пропорционально E^–0,6 [24, 41]. Если сравнить эти данные с аналогичной зависимостью для заряда в оксиде (~E^–1/2, см. п. 3.3.4), то можно сделать вывод о том, что оба эти эффекта (накопление заряда в оксиде и увеличение плотности ПС) определяются процессами, протекающими вблизи границы раздела Si/SiO₂.

Для МОП-структур с металлическими затворами накопление ПС в ряде случаев может не подчиняться зависимостям от электрического поля, характерным для технологических вариантов с поликремниевыми затворами. При этом заряд ПС может как увеличиваться с ростом напряженности поля, так и уменьшаться [13].