ПРОЕКТИРОВАНИЕ МИКРОСХЕМ КОСМИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ НА ОСНОВЕ КНС И КНИ-СТРУКТУР
Современные технические требования, предъявляемые к аппаратуре космичес-
кой и военной техники, определяют также и основные условия их эксплуатации
при радиационных воздействиях. Наиболее поражающее действие на электрон-
ные приборы оказывает импульсное ионизирующее излучение (ИИИ), причем
одними из наиболее уязвимых к ИИИ элементов современных электронных сис-
тем являются БИС ЗУ.
Изучение эффектов функциональных сбоев в запоминающих устройствах
при воздействии импульсного ионизирующего излучения с предельными уров-
нями (до 1013 ед./с) имеет важное значение для создания новых и совершенство-
вания существующих радиационно-стойких элементов и устройств военного,
космического и другого специального назначения, повышения их функциональ-
ных и эксплуатационных характеристик, а также эффективности их примене-
ния [1, 2].
Разработка перспективных отечественных систем управления ракетно-кос-
мической техники требует создания номенклатуры новых цифровых, цифро-
аналоговых КМОП БИС, а также ряда БИС ЗУ с сочетанием высокой сбоеус-
тойчивости и информационной емкости. К сожалению, на момент написания
этой книги ни одна из ранее разработанных отечественных БИС ЗУ в полной мере
данным требованиям не удовлетворяет. Так, предъявляемые заказчиками требова-
ния по «выживанию» БИС ЗУ в составе стратегических систем при предельных уров-
нях ИИИ в диапазоне 1012–1013 ед./с и сбоеустойчивости не менее 1011 ед./с, а в
ряде случаев и до (1–5) ⋅ 1012 ед./с являются практически недостижимыми для
БИС ЗУ, сформированных в объемных кремниевых и эпитаксиальных структу-
рах [1, 2].
В то же время проведенное специалистами отечественной специализирован-
ной компанией ЭНПО «СПЭЛС» экспериментальное исследование СБИС ОЗУ
1 Мбит (HX6228, выпускаемое фирмой Honeywell (США)), показало [3], что от-
работанный оптимизированный современный технологический процесс с ис-
пользованием структур кремний-на-изоляторе (КНИ) и эффективные схемно-
топологические решения действительно способны обеспечить сочетание высокой
информационной емкости (1Мбит) и радиационной стойкости (уровень катаст-
рофических отказов 1012 ед./с, уровень сбоеустойчивости 1011 ед./с, уровень дозо-
вой стойкости – более 106 ед.). На основе КНИ структур фирма Honeywell освои-
ла производство семейства радиационно-стойких КНИ КМОП БИС ЗУ. Этот факт
указывает на обоснованность разработок отечественных БИС ЗУ на КНИ струк-
турах, которые обеспечивают существенное снижение ионизационных токов и
подавление паразитных связей между элементами БИС при импульсном ионизи-
рующем облучении. До настоящего времени практически единственной промыш-
ленно освоенной в России КНИ технологией для КМОП ЗУ является кремний-
на-сапфире (КНС). За последние 10 лет созданы КМОП КНС БИС ЗУ (серия 1620),
обеспечивающие уровни сбоеустойчивости ОЗУ (1–5) ⋅ 1010 ед./с для информаци-
онной емкости (4–8) Кбит и 1012 ед./с для информационной емкости (2–4) Кбит.
Достигнутый уровень КНС ЗУ по соотношению информационная емкость – сбое-
устойчивость обеспечивает потребности ранее разработанных бортовых систем
управления сегодняшнего дня, но совершенно не достаточен для интеллекту-
альных сложнофункциональных систем нового поколения, находящихся в раз-
работке.
Целью настоящей главы является представление читателю в сжатом виде ре-
зультатов анализа открытой научно-технической информации и разработка на ее
основе рекомендаций по повышению устойчивости проектируемых цифровых
микросхем и схем памяти на КНИ подложках к воздействию ионизирующего из-
лучения.
Для достижения этой цели материал главы содержит следующие разделы. В пер-
вом разделе показана актуальность использования КНИ структур для разработки и
производства отечественных радиационно-стойких КМОП БИС ЗУ.
Второй раздел посвящен анализу радиационно-стойких МОП БИС, произво-
димых в США на основе КНИ структур.
Третий раздел посвящен рассмотрению вопросов воздействия ионизирующе-
го облучения на кремний и двуокись кремния.
В четвертом разделе рассмотрены основные физические явления в МОП КНИ
транзисторах в условиях воздействия ионизирующей радиации.
В пятом разделе приведены результаты экспериментальных исследований вли-
яния облучения гамма квантами с полной дозой до 106 рад на параметры МОП
транзисторов, поликремниевых резисторов и пленочных конденсаторов.
Шестой раздел посвящен конструктивно-технологическим методам повы-
шения стойкости КНИ МОП транзисторов к воздействию ионизирующего из-
лучения.
В седьмом разделе рассмотрены вопросы радиационной стойкости КНС и
КНИ КМОП БИС ОЗУ к воздействию импульсного ионизирующего излучения.
В разделе 8 представлены рекомендации по выбору оптимального конструк-
торско-технологического решения формирования ячейки ОЗУ в КНИ структу-
рах, устойчивой к импульсам ионизирующего излучения большой мощности
9.1. Радиационно стойкие КМОП БИС на основе КНИ структур
Технология КНИ стала привлекать к себе большое внимание с момента сообще-
ния фирмой IBM в 1998 году об успешном освоении производства семейства мик-
ропроцессорных БИС с использованием КНИ структур. Некоторые производи-
тели полупроводниковых схем, такие как Motorola, последовали примеру IBM и
также начали осваивать производство некоторых изделий на основе КНИ струк-
тур [4]. В то же время другие главные производители электронной техники из США,
такие как Intel и AMD, попробовали использовать КНИ структуры вместо плас-
тин объемного кремния в производстве микропроцессорных БИС, но в настоя-
щее время приостановили эти работы. Большинство компаний разрабатывают
КНИ продукты для маломощных и низковольтных применений, однако наиболь-
шие преимущества достигаются при использовании КНИ технологии для произ-
водства изделий специального назначения для работы в условиях воздействия
ионизирующего облучения и высокой температуры.
Радиационно-стойкие КНИ схемы изготавливаются, как правило, с исполь-
зованием частично обедненных МОП транзисторов. Причиной этого является тот
факт, что при воздействии ионизирующего облучения происходит образование
зарядов в толстом слое изолирующего захороненного окисла (Buried Oxide – BOX).
Это влияет на пороговое напряжение в полностью обедненных приборах, что очень
нежелательно для радиационно-стойких применений. Благодаря последним раз-
работкам стало возможным изготавливать радиационно-стойкие полностью обед-
ненные приборы. Список компаний США, производящих радиационно-стойкие
КНИ схемы, приведен в табл. 9.1 [5]. Лидирующие позиции занимает в этой сфе-
ре компания Honeywell.
Американское космическое агентство NASA поддерживает исследования
в области технологии КНИ за способность КНИ БИС выдерживать радиацию,
а также низкие и высокие температуры в космическом пространстве. Техноло-
гия КНИ является главным кандидатом для применения в цифровых и смешан-
ных сигнальных устройствах и схемах. Она включает малые размеры устройств
(0,18–0,25 мкм) и малое рассеивание энергии, а потенциал для устойчивости к
радиации представляет большой интерес для разработчиков систем специаль-
ного назначения для космического применения. Отдельный интерес представ-
ляет возможность работы этих устройств при низких температурах (–100 °С) для
применения на марсианской поверхности и при криогенных температурах для
применения в инструментах и сенсорах. Полет к Меркурию потребует высоко-
температурную электронику, а полет к одной из лун Юпитера Европе потребует
от космического корабля возможность выдержать полную дозу в 100 Мрад. Целью
разработок технологий КНИ для космических применений является полное техно-
логическое моделирование и описание КНИ процесса в прямом сотрудничестве с
MIT/Lincoln Labs, Honeywell, Allied Signal и National Security Agency (NSA) [5].
Описание будет использовать упрощенный процесс, структуры для теста на на-
дежность и существующие схемы с дизайном, подходящим для процесса изготов-
ления и оценки надежности. Результат этих оценок предоставит необходимую ин-
формацию для инженеров-разработчиков и разработчиков схем, относящуюся к
характеристикам и ограничениям этой технологии для радиационно-стойких при-
менений. Дополнительная выгода также будет получена при создании технологи-
ческого процесса изготовления БИС в КНИ структурах и получения информа-
ции по характеристикам надежности, желаемой промышленными партнерами, и
это также чрезвычайно выгодно для будущих применений в NASA.
Фирма Synova разработала радиационно-стойкий (1 Мрад) 32-битный про-
цессор, названный Mongoose-V [6]. Mongoose-V является радиационно-усилен-
ным MIPS R3000 32-битным микропроцессором, который изготовлен по КМОП
КНИ технологии. Отдельный чип представляет собой высокоинтегрированное
устройство для многих процессорных применений в космическом корабле, таких
как интегрированные в инструменты контроллеры. Mongoose-V включает в себя
кэш-память на кристалле, периферийные функции на кристалле и полную аппа-
ратную поддержку IEEE-754 плавающей запятой. Разработка Mongoose-V спон-
сировалась NASA Goddard Space Flight Center. Mongoose-V имеет устойчивость к
полной поглощенной дозе в 1 Мрад и линейную передачу энергии (LET) больше
80 МэВ⋅см2мг–1, что делает его виртуально свободным от эффектов единичных
сбоев (SEU) и представляет особый интерес для космических применений.
В настоящее время Lincoln Laboratory завершила работы над полностью обед-
ненным КНИ процессом для маломощных применений, где получены пороговые
напряжения в 400 мВ и напряжения питания в 900 мВ. Минимальная длина за-
твора – 0,18 мкм и толщина кремниевой пленки – 50 нм. Исток и сток покрыты
силицидом, и используется 3 слоя металла. Процесс характеризуется диэлектри-
ческой меза-изоляцией. Боковые стенки островков кремния окислены, и исполь-
зуется имплантация ионов бора для борьбы с боковыми утечками после роста окис-
ла (n-типа для p-канальных приборов, и p-типа для n-канальных транзисторов).
Эта имплантация требует двух масок. Ключевым параметром для улучшения ра-
диационной стойкости было уменьшение толщины окисла на боковых стенках с
25 до 8 нм. На рис. 9.1 представлены допороговые характеристики КНИ МОП
транзисторов, изготовленных Lincoln Laboratory с различной толщиной окисла
на боковых стенках кремниевых островков [7].
Хорошо видно, как уменьшение толщины окисла на боковых стенках с 25 до
8 нм привело к серьезному увеличению стойкости допороговой характеристики к
воздействию облучения. Дальнейшие улучшения в процессе сделали возможным
уменьшить пороговое напряжение для дозы в 1 Мрад (Si) до менее чем 140 мВ.
Полностью обедненный КНИ КМОП процесс Lincoln Laboratory разработан в
сотрудничестве с организациями, занимающимися радиационной стойкостью,
такими как NASA Jet Propulsion Lab, Honeywell и Rockwell, а также компаниями,
занимающимися маломощными высокоскоростными схемами, такими как Lucent,
Boeing и DEC. Низкая мощность и высокоскоростные характеристики КНИ
КМОП процесса были продемонстрированы при помощи схемы тестового комп-
рессионного приемника, изображенного на рис. 9.2, где рабочие частоты в 0,55 и
1 ГГц были достигнуты при напряжениях питания 1,1 и 2 В, соответственно. Со-
всем недавно Lincoln Laboratory сообщила об изготовлении суб100 нм полностью
обедненных МОП КНИ транзисторов [8].
Фирма Peregrine Semiconductor разработала и выпустила высокопроизводи-
тельную интегральную схему на базе запатентованного коммерческого Ultra Thin
Silicon (UTSi®) КМОП/КНС техпроцесса [5]. Предлагая отличные преимущества
в интеграции, скорости, энергопотреблении, линейности и стоимости, UTSi®
процесс на основе КНС (кремний-на-сапфире) материала – очень перспектив-
ный техпроцесс для изделий беспроводных и спутниковых коммуникаций. Про-
цесс UTSi® использует LOCOS изоляцию между приборами и последующую им-
плантацию бора в стенки n-МОП приборов.
Малое время жизни неосновных носителей заряда в КНС обеспечивает от-
личную устойчивость к SEU, а использование сапфирового материала под актив-
ным слоем кремния в комбинации с p+-легированными боковыми стенками n-
канальных приборов обеспечивает хорошую устойчивость к полной дозе. Конст-
рукция радиационно-стойкого МОП транзистора, разработанного фирмой
Peregrine Semiconductor, представлена на рис. 9.3.
UTSi® процесс был изначально разработан для производства радиочастотных
схем мобильных и спутниковых коммуникаций. Интегральные схемы производ-
ства Peregrine в настоящий момент используются в мобильных продуктах Qualcomm,
Samsung, Alcatel, NEC, Sony и т.д. В 1999 году Peregrine Semiconductor заявила на
конференции Nuclear Space and Radiation Effects Conference (NSREC), что они
начинают разработку и производство радиационно-стойких схем, включая FPGA,
SRAM, EEPROM, DSP и АЦП. На рис. 9.4 и 9.5 приведены зависимости тока сто-
ка от напряжения на затворе n- и p-канальных 0,5 мкм UTSi® приборов. Сдвиг
порога после облучения дозой в 100 крад(Si) составляет менее 50 мВ, и увеличе-
ние тока утечки (< 100 пА/мкм) после облучения почти незаметно [5].
Наиболее значимые результаты в разработке и производстве радиационно-
стойких БИС ОЗУ на основе КНИ структур получены фирмой Honeywell, кото-
рая разработала семейство КНИ БИС, включающих 256k ROM, 4 М SRAM и 16 М
SRAM БИС [9, 10]. Основные характеристики некоторых КНИ БИС приведены в
приложении А. Процесс производства КМОП КНИ БИС достаточно традицио-
нен и использует частично обедненные КНИ полевые МОП транзисторы. Техп-
роцесс фирмы Honeywell для производства КМОП БИС 1M SRAM разработан
специалистами центра Honeywell Solid State Electronics Center (Plymouth, MN
55441, США), и его некоторые особенности [11] состоят в следующем. Исходны-
ми подложками являются КНИ структуры, полученные по технологии SIMOX c
имплантацией кислорода на энергии 190 кэВ. КНИ структуры были подвергнуты
отжигу при температуре 1325 °С, что обеспечило получение захороненного окис-
ла толщиной 370 нм и пленки кремния толщиной 190 нм. Для проведения по тех-
нологическому процессу отбираются КНИ пластины с плотностью поверхност-
ных дефектов менее 0,2 см–2, плотностью HF дефектов менее 1 см–2 и уровнем
легирования пленки менее 2 · 1016 см–3. На рис. 9.6 представлено сечение структу-
ры КМОП вентиля, сформированного в КНИ структуре с использованием КМОП
технологии с нормами проектирования 0,7 мкм. Этот процесс называется на фирме
Honeywell SOI RICMOS-IVT CMOS процесс.
В процессе SOI RICMOS-IVT CMOS фирмы Honeywell карманы n-типа и
p-типа проводимости создаются методом имплантации для получения частично
обедненных областей под n+-типа поликремниевыми затворами n-канальных
МОП транзисторов и встроенных каналов р-канальных МОП транзисторов. Внут-
ри карманов для изоляции используются как окисел, так и р-n переходы. Между
карманами используется окисная изоляция. В работах [8, 9], опубликованных в
открытой печати, сообщается, что для предотвращения токов утечки в паразит-
ных элементах была разработана специальная конструкция ячейки памяти, кото-
рая обеспечивает стойкость до 2 Мрад по полной дозе в температурном диапазо-
не от –55 до 125 °С и устойчивость к импульсному излучению не менее 1012 рад/с.
Эффективная длина каналов МОП транзисторов составляла 0,55 мкм. Ис-
пользуются щелевая окисная изоляция и три уровня металлизации. Ячейка па-
мяти имеет площадь 10,2 × 8,4 мкм2 при использовании шага 2 мкм и размеров
контактов 1 мкм. Области поликремния и контактов исток и сток покрыты си-
лицидом титана. Размер кристалла SRAM 1M составляет 4,44 × 4,47 мм 2 [11].
Образцы n-канальных МОП транзисторов с шириной канала 10 мкм и дли-
ной канала 0,7 мкм были подвергнуты облучению гамма квантами. На рис. 9.7
представлены зависимости порогового напряжения верхнего затвора от полной
дозы. Сдвиг порогового напряжения не превышает 100 мВ при дозе 1 Мрад.
На рис. 9.8 представлены зависимости порогового напряжения нижнего зат-
вора от дозы облучения. Сдвиг порогового напряжения нижнего затвора не пре-
вышает 20 В при дозе 1 Мрад. После облучения до дозы 1 Мрад пороговое напря-
жения нижнего затвора более 10 В, что вполне достаточно дл устойчивой работы
МОП n-канальных транзисторов при напряжении питания 5 В. При исследован-
ных n-канальных МОП транзисторов не установлено увеличения токов утечки
после облучения с дозой 1 Мрад.
Исследования кольцевых генераторов показали, что время задержки переклю-
чения КМОП вентилей, состоящих из МОП транзисторов с длиной канала 0,7 мкм
и шириной канала 3 мкм, составляло 120 пс. В температурном диапазоне от –55 до
125 °С время переключения БИС 1M СОЗУ было от 17 нс до 25 нс. Данные по токам
потребления в состоянии покоя БИС 1М СОЗУ представлены на рис. 9.9.
Honeywell и Motorola объявили о совместной разработке радиационно-стой-
кого Power PC микропроцессора для аэрокосмических применений [10].
В последние двадцать лет лидирующие позиции по производству радиаци-
онно-стойких БИС для военных и космических применений в США занимает
фирма Honeywell. Семейство радиационно-стойких изделий этой фирмы в на-
стоящее время включает КМОП БИС ЗУ, БИС ЗУ с магнитными ячейками па-
мяти, а также заказные БИС (ASIC) [13, 14]. Для изготовления радиационно-
стойких БИС фирма Honeywell использует в настоящее время три базовых тех-
нологии с проектными нормами 0,7 мкм, 0,35 мкм и 0,15 мкм. Вместо объемных
пластин кремния используются КНИ структуры, что обеспечивает устойчивость
к полной дозе не менее 1 Mрад(Si), стойкость к импульсному излучению с мощ-
ностью дозы не менее 1012 рад(SiO2)/с и устойчивость к единичным сбоям (SEU)
не хуже 10–11 ошибок/бит/день. По сравнению с объемными пластинами кремния,
КНИ структуры имеют примерно в 10 раз меньший объем активных областей
кремния, в котором происходит накопление радиационных дефектов, и по-
этому КНИ КМОП БИС в меньшей степени требуют использования специаль-
ных схемотехнических решений для удержания логического состояния ячейки
памяти неизменным при облучении. Эта конструктивная особенность МОП
транзисторов в КНИ структурах дополняется соединением кармана транзисто-
ров с подложкой КНИ структур, что обеспечивает еще большую стойкость к воз-
действию ионизирующего излучения. Для достижения повышенной стойкости
КМОП БИС в распоряжении проектировщика в библиотеке проектирования
имеются специальные структурные блоки, которые обеспечивают задержку пере-
ключения ячеек памяти до полной рекомбинации зарядов, образовавшихся при
облучении.
Три года назад [15] фирма Honeywell усовершенствовала радиационно-стойкий
технологический процесс производства БИС с нормами проектирования 150 нм на
базе КНИ структур. Эта технология разработана в результате совместного проек-
та центра Honeywell Solid State Electronics Center (SSEC) и фирмы Synopsys. Фи-
нансирование проекта осуществлялось Министерством Обороны США (U.S.
Department of Defense) в рамках программы «Radiation Hardened Microelectronics
Accelerated Technology Development» по контрактам «DTRA01-03-D-0018-0001» и
«AFRL Agreement F33615-02-9-5325», направленным на разработку и производ-
ство радиационно-стойких субмикронных БИС, в частности, заказных БИС
(ASIC). В результате выполнения этого совместного проекта удалось разрабо-
тать технологию производства заказных радиационно-стойких БИС, содержа-
щих более 15 млн вентилей на кристалл и имеющих рабочую частоту 500 МГц.
Такие параметры ранее достигались только в гражданских БИС. Успех в получе-
нии этих результатов оказался возможным благодаря использованию улучшен-
ных методов проектирования, основанных на использовании таких платформ
проектирования компании Synopsys, как Galaxy™ Design и Discovery™ Verification,
которые были применены для субмикронного 150 нм процесса фирмы Honeywell.
По сравнению с технологией на объемном кремнии разработанный технологи-
ческий процесс с нормами проектирования 150 нм и с использованием КНИ
структур обеспечивает кроме высокой радиационной стойкости также и такие
серьезные технические и экономические преимущества, как уменьшение на
30% потребляемой мощности, увеличение на 20% рабочей частоты, увеличение
на 15% плотности упаковки элементов и уменьшение на 4–6 дБ перекрестных
помех.
Характеристики некоторых КНИ схем производства Honeywell и их устойчи-
вость к полной дозе облучения, частоте одиночных сбоев (SEU) и к импульсному
ионизирующему излучению (ИИИ) представлены в табл. 9.2.
9.2. Воздействие ионизирующего облучения
на кремний и двуокись кремния
Закономерности действия облучения на твердые тела изложены в многочисленных
монографиях и обзорах, например [16, 17], суть которых сводится к следующему.
При прохождении частиц высоких энергий через твердые тела основными меха-
низмами торможения являются упругие столкновения с ядрами (ядерные потери)
и неупругие столкновения с электронами (ионизационные потери). Ядерный ме-
ханизм доминирует при низких скоростях частиц (например, ионов). В этом случае
передача энергии атомам мишени происходит благодаря упругим столкновени-
ям – налетающая частица передает свою энергию ядрам (атомам) мишени в упру-
гих столкновениях. Электронный механизм доминирует при высоких скоростях
(энергиях) частиц и при облучении гамма-квантами. Торможение в данном случае
определяется возбуждением и ионизацией электронов среды.
При достаточно высоком значении энергии налетающей частицы происходит
смещение атома мишени из равновесного (узлового) положения, что приводит к
возникновению междоузельного атома и вакансии (пары Френкеля). Образование
дефектов продолжается, пока энергия окажется ниже пороговой энергии образо-
вания смещенного атома. В результате образуется определенное число дефектов
Френкеля. Увеличение интенсивности облучающего потока ведет к более высо-
ким плотностям создаваемых дефектов, т.е., эффективность образования пар
Френкеля возрастает.
9.2.1. Радиационные эффекты в кремнии при облучении
9.2.1.1. Радиационные дефекты, их комплексы и кластеры
Образовавшиеся в результате облучения собственные точечные дефекты облада-
ют высокими коэффициентами диффузии даже при комнатных температурах [18].
Причем приводимые в литературе значения коэффициентов диффузии вакансий
имеют большой разброс [19]. Такой разброс авторами объясняется тем, что в раз-
личных зарядовых состояниях вакансии обладают разными энергиями миграции.
Следует отметить, что исключительная подвижность вакансий и междоузельных
атомов, а также процессы образования дефектных ассоциаций между собой и с
другими несовершенствами структуры создают большие трудности при изучении
свойств этих дефектов.
Другим классом радиационных дефектов являются дефектные комплексы,
которые возникают в результате взаимодействия точечных дефектов как друг с
другом, так и с другими примесями (легирующими и неконтролируемыми). Ос-
новными электрически активными центрами, образующимися в Si после облуче-
ния ионами, являются комплексы вакансия–кислород (VO или А-центры) с энер-
гией ионизации Ес = 0,17 эВ, дивакакансии (V2), которые вводят в запрещенную
зону уровни энергии Ес = 0,23 эВ, Ес = 0,39 эВ, Еv = 0,21 эВ, а также комплексы
вакансии с элементами V-й группы, наиболее известный из которых – комплекс
вакансия–фосфор (VP или Е-центр) с уровнем энергии Ес = 0,44 эВ [16]. При вза-
имодействии компонентов пар Френкеля с примесью возможно изменение поло-
жения примеси в решетке: вытеснение узловой примеси в междоузельное поло-
жение собственным междоузельным атомом (эффект Уоткинса) и растворение
междоузельной примеси в радиационно-введенных вакансиях, аннигиляция ва-
кансий и междоузельных атомов при последовательном захвате их на атом при-
меси (на центр аннигиляции). Большинство дефектов междоузельного и вакан-
сионного типа отжигаются при температурах до 5000 °С [19].
Эффективность введения дефектных комплексов на начальной стадии накоп-
ления дефектов пропорциональна дозе облучения. При достаточно больших до-
зах облучения наступает насыщение концентрации тех или иных комплексов.
Причинами этого эффекта могут быть следующие [16]:
1) истощение примеси, входящей в комплекс;
2) термическая диссоциация комплекса (при достаточно больших температурах);
3) акты аннигиляции вакансий и междоузельных атомов на примеси.
Уменьшение скоростей введения дефектов имеет место при увеличении ин-
тенсивности облучения за счет аннигиляции компонент пар Френкеля. При рас-
смотрении эволюции радиационных дефектов, образованных в каскаде смеще-
ний, необходимо учитывать следующие процессы [20–22]:
1) диффузию вакансий и междоузельных атомов;
2) объединение вакансий и междоузлий в комплексы;
3) рекомбинацию вакансий и междоузлий;
4) отжиг сложных дефектов, их диффузию и перестройку.
Процессы накопления в зоне смещений определяются в основном конкурен-
цией процессов 1–3.
В случае высоких энергий и массы бомбардирующих частиц возрастает (напри-
мер, нейтроны или ионный высоких энергий) энергия, переданная выбитому из узла
атому решетки. Атом отдачи в результате вторичных столкновений создает большое
количество вакансий и междоузельных атомов. В результате совокупность точеч-
ных дефектов в малом локальном объеме образует протяженный дефект со специ-
фичными свойствами (разупорядоченная область). Предполагается, что разупоря-
720 Глава 9. Проектирование микросхем космического применения
на основе КНС и КНИ структур
доченные области (РО) состоят из центральной зоны, обогащенной вакансиями, и
окружающей ее оболочки, насыщенной междоузельными атомами [21, 22]. При
перекрытии РО могут образоваться разупорядоченные и аморфные слои. Переход
в аморфное состояние может осуществляться несколькими путями:
1) формирование аморфных областей непосредственно в отдельной РО;
2) взаимодействие (перекрытие) различных РО, приводящее к их перестрой-
ке, укрупнению и формированию аморфных областей;
3) стоком и накоплением дефектов одного вида (вакансий или междоузель-
ных атомов) вблизи нарушенной имплантацией области в кристалле.
Необходимым условием аморфизации по любому из выбранных механизмов яв-
ляется пространственное разделение в этой области вакансий и междоузельных ато-
мов. Кристаллизация аморфного слоя происходит при температурах 600–7000 °С.
При последующей термообработке облученного материала в результате объе-
динения простых дефектов либо под воздействием механических напряжений,
возникающих вокруг радиационных нарушений, часто образуются линейные де-
фекты – дислокации или дислокационные петли, стержнеобразные дефекты. Эти
крупные линейные дефекты состоят из междоузельных атомов. Стержнеобраз-
ные дефекты отжигаются при Т = 800–9000 °С, а дислокационные петли еще при
более высоких температурах (> 10 000 °С) [16, 17].
9.2.1.2. Особенности дефектообразования в кремнии и поликремнии,
облученном импульсами гамма-квантов
Вероятность непосредственного взаимодействия гамма-квантов с ядрами атомов
мала. Обычно возникновение радиационных дефектов при гамма-облучении свя-
зано с процессами, в которых образуются быстрые электроны: фотоэффектом, эф-
фектом Комптона и рождением электронно-позитронных пар. В области энергий
гамма-квантов менее 5 МэВ преобладает эффект Комптона. Например, при облу-
чении гамма-квантами Со60 с энергией 1,25 МэВ комптоновское рассеяние образу-
ет электроны с энергией 0,59 МэВ. Далее расчет количества смещенных атомов сво-
дится к расчету дефектов, введенных электронами. Поэтому действие облучения
гамма-квантами близко к облучению электронами, и при энергии менее 5 МэВ
облучение гамма-квантами создает в кремнии лишь точечные дефекты. Скорости
формирования дефектов зависят не только от энергии гамма-квантов, но и от при-
месного состава кремния. Скорость введения дефектов (и удаления носителей) в
кремнии с удельным сопротивлением 2–50 Ом·см, легированном фосфором, при
облучении гамма-квантами Со60 составляет Δn/ΔФ ~ (7–14) · 10–4 см–1 [23]. Уве-
личение уровня легирования кремния приводит к снижению скоростей введения
дефектов благодаря их аннигиляции на атомах примеси.
Процессы аннигиляции компонентов пар Френкеля и образования вторич-
ных дефектов зависят от количества одновременно введенных дефектов. Импуль-
сное облучение по мере увеличения интенсивности импульса приводит к возрас-
танию доли аннигилирующих первичных дефектов и снижению скоростей фор-
мирования вторичных дефектных комплексов. Причинами данных изменений
являются увеличение концентраций компонентов пар Френкеля и нагрев полу-
проводника за счет поглощенной энергии.
9.2. Воздействие ионизирующего облучения на кремний и двуокись кремния 721
Переход от кремния к поликристаллическому кремнию благодаря наличию
границ между зернами приводит к следующим особенностям процесса накопле-
ния дефектов:
(1) геттерирование дефектов на границах изменяет скорости введения дефек-
тов и, соответственно, скорости удаления свободных носителей заряда;
(2) механические напряжения вблизи границ также являются фактором, из-
меняющим скорости удаления свободных носителей.
9.2.2. Свойства границы раздела Si/SiO2
9.2.2.1. Общие сведения о строении SiO2
Структурной основой всех кристаллических и аморфных модификаций SiO2 яв-
ляется кремний-кислородный тетраэдр SiO4. Длина связи в различных модифи-
кациях окисла меняется от 0,160 до 0,163 нм, а тетраэдрический угол –O–Si–O–
остается практически постоянным ~ 109° [24]. Последнее обстоятельство свиде-
тельствует о сохранении ближнего порядка при переходе от кристаллических к
аморфным модификациям окисла. Аморфные пленки, выращиваемые термичес-
ким окислением, в основном стехиометричны по составу, за исключение пригра-
ничных с полупроводником областей. Средний угол между кремний-кислород-
ными тетраэдрами составляет в таких пленках 147 ± 17°. Считается, что в аморф-
ных окисных пленках возникают кольцеобразные структуры, ориентированные
параллельно поверхности кремния [10]. Они играют важную роль в миграции при-
месных атомов.
Основными и надежно идентифицированными точечными дефектами в ди-
оксиде кремния являются кислородные вакансии, так называемые Е′1-центры [26].
Е′1-центры возникают в окислах при прогревах в высоком вакууме [27], облучении
высокоэнергетичными частицами (нейтроны, электроны, ионы, γ-лучи) [28, 29].
Концентрация Е′1-центров, как правило, существенно возрастает при прибли-
жении к границе с кремнием, что связываеся с меньшей радиационной стойко-
стью стехиометрически нарушенного слоя SiOx. Еще одним достаточно хорошо
изученным центром системы Si/SiO2 являются рb-центры [30]. Существует две
разновидности центра [31, 32]: рbо-центры, которые принадлежат атомам крем-
ния, связанным с тремя соседними атомами кремния (3Si≡Si*), и рb1-центры, в
которых трехкоординированные атомы кремния связаны с двумя соседними ато-
мами кислорода (2OSi≡Si*). На характер распределения неспаренного электро-
на рb-центра оказывает сильное влияние окружение центра. Отсюда сильная за-
висимость параметров рb-центров от условий обработки поверхности, режимов
отжигов и т.д.
Существенное влияние на структуру, оптические и электрические свойства пле-
нок окисла оказывают примесные дефекты. Они возникают практически на всех
стадиях создания МОП структур, начиная с окисления кремния и кончая нанесе-
нием металлического электрода. Прежде всего, остановимся на роли молекул воды.
Они присутствуют на поверхности кремния, в окислительной атмосфере в случае
влажного окисления. Считается, что молекулы воды диффундируя через окисел,
взаимодействуют с сеткой кремний-кислородных тетраэдров. В результате про-
исходит разрыв перенапряженных силоксановых связей и образование гидро-
ксильных групп. При взаимодействии молекул воды с кислородными вакансия-
ми возможно образование гидроксильных и гидридных групп. Гидридные группы
приводят к значительному искажению структуры диоксида кремния вследствие из-
менения углов и длины связей в кремний-кислородных тетраэдрах [33]. Электро-
физические исследования говорят о важной роли этих группировок в захвате за-
рядов, протекающих через окисел. Встроенный заряд в окислах, выращенных
влажным и сухим окислением, резко отличается.
Не менее важную роль в окисле играет водород. Хофстейнн [19] одним из пер-
вых предположил, что протоны играют основную роль в формировании положи-
тельного подвижного заряда в оксиде, ответственного за нестабильность характе-
ристик МДП структур. Исследования электрофизических характеристик МОП
транзисторов позволили авторам [35] определить подвижность протонов в струк-
туре Si/SiO2. Она составила 10–10–2 ⋅ 10–8 см2В–1с–1 в зависимости от относитель-
ной влажности окисла. Предэкспоненциальный множитель и энергия активации
диффузии протонов в окисле составляют 5,6 ⋅ 10–4 см–4с–1 и 0,75 эВ [36].
Следующую группу примесных дефектов, играющих важную роль в определе-
нии свойств оксида, составляют ионы щелочных металлов, и в первую очередь
ионы натрия. Часть ионов натрия образует ионные соединения с немостиковым
кислородом ≡Si–O––Na+ [37], эта часть ионов неподвижна. Константа и энергия
активации ионов натрия (12,5 ⋅ 10–3 см–4с–1 и 0,87 эВ) не сильно отличаются от соот-
ветствующих величин для протонов [36]. Подвижность ионов натрия в электричес-
ком поле описывается выражением 4,6exp(0,63/kT) см2В–1с–1, что соответствует ве-
личинам 10–11–10–8 см2В–1с–1 при напряженности поля 2 ⋅ 105 В/см и температурах
300–460 К. С ростом ионного радиуса подвижность ионов падает в ряду Na+, K+,
Cs+ и т.д. [36]. Таким образом, ионы натрия, как и протоны, ответственны за дрей-
фовую нестабильность МОП приборов.
9.2.2.2. Электронная структура SiO2
Многообразие кристаллических и аморфных модификаций диоксида кремния
дает основу для различия конкретных параметров формируемых окислов. Так,
ширина запрещенной зоны окисла для непрямых переходов лежит в интервале
6,9–9,8 эВ [36]. Теоретические оценки показывают, что дефектные состояния и, в
частности, изменение углов – O–Si–O – приводят к появлению хвостов у потол-
ка валентной зоны и дна зоны проводимости оксида и к изменению положения
потолка валентной зоны [38, 39]. Протяженность этих хвостов несет информа-
цию о степени разупорядочения окисной пленки. Для окисной пленки, получен-
ной окислением во влажном кислороде, протяженность хвостов состояний от дна
зоны проводимости и у потолка валентной зоны составляет соответственно 0,5 и
0,2 эВ [40, 41]. Протяженность хвостов существенно меняется в процессе гидра-
тации окисла, легирования и воздействия излучения [25]. Для высокоомного
кремния высота барьеров между кремнием и окисной пленкой для движения но-
сителей составляет 4,5 и 5,4 эВ для зоны проводимости и валентной зоны, соот-
ветственно [36].
9.2. Воздействие ионизирующего облучения на кремний и двуокись кремния 723
9.2.2.3. Строение и состав Si/SiO2 границы
Используются два возможных подхода к описанию границы раздела Si/SiO2:
1) резкая граница, включающая в себя не более монослоя переходного слоя;
2) плавный переход от кремния через SiOx слой, содержащий кислородные
вакансии к стехиометрически ненарушенному слою SiO2.
Были предприняты попытки теоретически сопрячь структуру кремния с его
собственным оксидом [42–44]. Пантелидес и Лонг [42] рассматривали контакти-
рующий оксид в рамках модели случайной пространственной структуры (СПС) с
легко варьируемыми углами между тетраэдрами. Херман [43] сочленил поверхно-
сти (100) кремния и (100) β-кристобаллита, отношение постоянных решетки, у
которых примерно равно 2. Херман с помощью увеличения углов Si–O–Si на
45° получил идеализированную границу раздела, на которой половина атомов
находится в координации 4, а половина – в координации 2 с двумя разорванными
связями. Похожая модель предложена в [44]. Японские исследователи [43] в рам-
ках модели резкой границы и приближении СПС оценили деформации, возника-
ющие при сопряжении кристаллического кремния с его аморфным оксидом. Ока-
залось, что деформации убывают в ряду кристаллографических плоскостей (100),
(110), (111).
Таким образом, даже теоретически трудно представить себе упорядоченную
границу твердых фаз с различными параметрами структуры. Такое сочленение
должно привести к появлению дислокаций несоответствия и существенной де-
формации валентных углов и длины связей. Возникающие при окислении флук-
туации диффузионных потоков реагирующих веществ, присутствие в них паров
воды и других примесей будут способствовать структурно и химически неодно-
родной граничной фазе. Исследования поперечного разреза Si/SiO2 структуры с
помощью микроскопии и/или спектроскопической эллипсометрии четко указы-
вают на существование переходной фазы толщиной до нескольких нанометров [44].
Увеличение скорости окисления кремния приводит к возрастанию толщины пере-
ходного слоя [45], присутствию кластеров кремния в переходном слое [46] и/или
высокой концентрации ступенек на поверхности кремния [47].
Огромное количество работ посвящено исследованию химического состава пе-
реходной области. Изучение профиля граничной фазы с помощью электронной
Оже-спектроскопии указывает на присутствие в ней избыточной концентрации
атомов кремния [47]. Однозначным выводом многочисленных исследований явля-
ется нарушение по кислороду стехиометрии переходного слоя, т.е. SiOx, где x < 2.
Измеряя химические сдвиги ΔE пиков Si2P с помощью рентгеновской фотоэлект-
ронной спектроскопии высокого разрешения [48] для разной толщины окислов,
было получено, что в пределах 3 нм существует случайная сетка связей из 4-, 6-, 7-,
8-членных колец из тетраэдров. Таким образом, в переходном слое присутствуют
комплексы Si2O3, SiO, Si2O, определяющие недостаток кислорода в этой фазе. Пе-
реходной слой – наиболее дефектная область Si/SiO2 структуры, в котором присут-
ствует большое количество вакансий и оборванных связей.
При охлаждении окисленных пластин после окисления на их поверхности
возникают значительные механические напряжения (сжатие в оксиде и растяже-
ние в кремнии). Считается, что основной причиной этих напряжений является
разница в коэффициентах термического расширения кремния и его оксида.
Внутренние деформации на межфазной Si/SiO2 границе доходят до 1–2 ГПа [49].
При толщине окисла более 500 нм напряжения в кремнии и на границе пропор-
циональны толщине и действительно определяются только разностью коэффи-
циентов термического расширения кремния и его оксида [50]. Для более тонких
пленок величина деформации целиком определяется напряжениями в решетке
самого кремния, зависящими от режимов окисления и охлаждения. Наличие де-
формаций в структуре Si/SiO2, по данным [51], приводит к образованию микро-
скопических полостей, которые при охлаждении могут превращаться в макро-
скопические поры.
Классификация локализованных электронных состояний. Локализованные
электронные состояния на Si/SiO2 границы принято делить на четыре группы [36].
1. Медленные состояния диэлектрика. Они обладают аномально малыми се-
чениями захвата носителей ~ 10–27–10–31 см2. Характерное время релакса-
ции заряда в таких состояниях – 103–104 с. Обмен носителями с кремнием
осуществляется по надбарьерному механизму.
2. Медленные состояния границы раздела (МСГ). Они особенно характерны
для реальных границ раздела. МСГ локализованы в пределах 1 нм от полу-
проводника в переходном SiOx слое. Обмен носителями с полупроводником
протекает по туннельному механизму. Сечения захвата для этих состояний
10–24–10–26 см2, что соответствует времени релаксации заряда 10–1–10–2 с.
3. Быстрые состояния. Они локализованы в приповерхностной области са-
мого кремния и обмениваются зарядами с его разрешенными зонами за
время 10–4–10–8 с. Сечения захвата для этих состояний 10–13–10–19 см2. Быст-
рые состояния аналогично примесям бывают донорные и акцепторные.
4. Рекомбинационные центры. Это быстрые состояния с незначительно от-
личающимися сечениями захвата электронов и дырок. Локализованы в
кремнии.
Остановимся более подробно на быстрых поверхностных состояниях Si/SiO2
границы. В настоящее время накоплен обширный экспериментальный материал
по изучению спектров быстрых состояний, полученный с использованием мето-
дики эффекта поля, поверхностной фотоЭДС, емкостных методик. Вся совокуп-
ность полученных данных однозначно свидетельствует о квазинепрерывном спек-
тре быстрых состояний. Плотность быстрых состояний существенно зависит от
параметров материала, его обработки и режимов создания Si/SiO2 границы. Но
при всех обработках кремния квазинепрерывный характер спектра состояний со-
храняется. Отсутствие структуры в спектрах быстрых состояний часто объясняют
высокой плотностью уровней дефектов. Доминирующая роль квазинепрерывно-
го спектра быстрых состояний, конечно, не исключает существования дискрет-
ных уровней в запрещенной зоне. Такие уровни возникают при радиационных
воздействиях на Si/SiO2 границу.
Основным и далеко не решенным является вопрос о природе быстрых лову-
шек. В качестве потенциальных центров быстрого захвата обычно рассматривают
оборванные связи (pbo и pb-центры), вакансии, дивакансии и более сложные де-
9.2. Воздействие ионизирующего облучения на кремний и двуокись кремния 725
фектные образования, а также примесные атомы. Детальные исследования pbo и
pb-центров на Si/SiO2 границе в зависимости от исходного кремния, режимов окис-
ления и последующих отжигов [51] демонстрируют прямую корреляцию между
концентрацией pb-центров и плотностью быстрых состояний. Из совместных
исследований СV характеристик МОП структур и атомного рельефа границы
раздела авторы [52, 53] установили интересные корреляции между концентрацией
ступенек на границе раздела Si/SiO2. Авторы [54] считают, что наиболее вероят-
ной основой быстрых состояний являются угловые атомы ступенек, т.е. pb-цент-
ры. А в работе [55] показано, что плотность состояний на атомарно гладкой по-
верхности (111) кремния, на которой был нанесен окисел, снижается до значений
плотности поверхностных состояний на границе c (100) Si.
На неупорядоченной Si/SiO2 границе благодаря высокой концентрации
флуктуационных полей энергетический спектр быстрых состояний приобрета-
ет коопреативные свойства, при этом индивидуальные свойства тех или иных
дефектов структуры в значительной мере нивелируются. Овсюк и Ржанов [54]
одними из первых высказали мысль, что квазинепрерывный характер спектра
быстрых состояний связан с нарушениями симметрии атомного потенциала в
приповерхностной области кристалла. Сильное влияние адсорбированных ато-
мов и молекул на спектр быстрых состояний объясняется тем, что атомы и моле-
кулы закрепляются вблизи наиболее сильных флуктуаций потенциала и тем са-
мым сглаживают эти флуктуации. Большинство исследователей согласны с чисто
флуктуационной природой мелких быстрых состояний вблизи разрешенных зон
кремния, для создания которых достаточно флуктуации одиночных зарядов [55].
Гораздо более дискуссионным является вопрос о природе глубоких состояний.
В этом случае необходимо появление флуктуаций с большой амплитудой, для со-
здания которых необходимы кластеры заряженных центров, что само по себе ма-
ловероятно.
Поскольку плотность состояний играет важную роль в функционировании
элементов интегральных схем, было предпринято большое количество поисков,
направленных на снижение плотности состояний на Si/SiO2 границе. Нейтрали-
зация быстрых состояний путем адсорбции атомов водорода широко используется
в настоящее время в технологии [56, 57]. Это достигается, в частности, насыще-
нием оборванных связей. Согласно данным [58], они могут приводить к нейтра-
лизации в приповерхностной области кремния таких активных акцепторов, как
B, Al, Ga, In. Благодаря высокой проницаемости SiO2 по отношению к атомарно-
му водороду он может проникать к Si/SiO2 границе и пассивировать дислокации в
приграничной области кремния [59].
Однако эффекты пассивации имеют место только при относительно низких
температурах (до 500 °С). Более высокие температуры отжига в атмосфере водо-
рода вызывают дополнительную генерацию состояний на границе и увеличение
положительного заряда в окисле [60, 61]. Генерация состояний на Si/SiO2 границе
также имеет место при выдержке под напряжением или облучении МОП струк-
тур [62]. Количество генерируемых центров на (100) Si/SiO2 границе ниже [63].
Часто непосредственное взаимодействие водорода с дефектами границы приво-
дит к образованию дополнительных состояний [64].
726 Глава 9. Проектирование микросхем космического применения
на основе КНС и КНИ структур
9.2.3. Воздействие ионизирующего облучения на диэлектрические слои
9.3.3.1. Введение объемного заряда в диэлектрик
Одним из основных процессов, происходящих в диэлектрическом слое при облу-
чении, является накопление объемного заряда. Введение заряда приводит к сдви-
гу вольт-фарадных характеристик по напряжению. Генерация носителей заряда и
их захват в окисле МОП структур изучались многими исследователями в течение
нескольких десятилетий [63–68]. Были разработаны математические модели, ко-
торые описывают разные механизмы накопления заряда [64, 65]. Для случая SiO2
заряд, вводимый при облучении, является чаще всего положительным, а для сло-
ев Si3N4 – отрицательным. Величина накопленного заряда зависит от следующих
факторов:
(1) технология получения диэлектрических слоев;
(2) вид, интенсивность и доза облучения;
(3) напряжение на диэлектрике во время облучения или величина и знак встро-
енного электрического поля.
В целом считается, что накопление заряда при облучении происходит за счет
захвата носителей, создаваемых облучением за счет ионизации, на ловушки, уже
существующие в диэлектрическом слое. При этом генерация носителей происхо-
дит равномерно во всем слое. Гамма облучение с энергиями порядка 2 МэВ являет-
ся ионизирующим, т.е. способным генерировать носители и не способно смещать
атомы диэлектрического слоя и разрывать регулярные связи. Однако в случае при-
сутствия в диэлектрике напряженных связей с существенно более низкой энерги-
ей (например, дефекты пассивированные водородом) облучение может их разры-
вать и приводить к росту концентрации дефектов в диэлектрике [23]. Присутствие
в окисле атомов переходных металлов увеличивает количество напряженных свя-
зей. Наличие в окисле гидроксильных групп ОН– уменьшает наведенный радиа-
цией заряд, так как наличие радикалов уменьшает число деформированных свя-
зей введением немостиковых групп ОН, которые связываются с О≡Si, заменяя
деформированные связи. При облучении происходят разрыв Si–ОН– и Si–О–Н-
связей и формирование локализованных ОН– или Si–О-связей, обуславливающих
донорный уровень Еv+ 0,48 эВ, на который будет захватываться отрицательный за-
ряд. Появление ионов кислорода со свободной связью или атомов кислорода, свя-
занных с примесью, также приводит к введению донорных уровней.
В случае присутствия при облучении внешнего или встроенного электричес-
кого поля происходит разделение носителей, генерируемых облучением и накоп-
лением их вблизи границ диэлектрика в соответствии со знаком поля. В случае
SiO2 электроны дрейфуют к положительному электроду и, как правило, удаляют-
ся из диэлектрика. Таким образом, заряд, накопленный в диэлектрике, компен-
сирует приложенное или встроенное электрическое поле.
Доля носителей, аннигилирующих после генерации электронно-дырочных
пар, зависит от интенсивности облучения и величины встроенного поля. Увели-
чение интенсивности облучения усиливает аннигиляцию.
По мере набора дозы облучения величина заряда в диэлектрике выходит на
насыщение. Величина насыщения для качественного термического окисла с низ-
9.2. Воздействие ионизирующего облучения на кремний и двуокись кремния 727
кой концентрацией напряженных связей составляет примерно (1–2) ⋅ 1012 см–2, и
это значение достигается при дозе электронов или гамма квантов ~105 рад.
Пространственное распределение накопленного заряда зависит от техноло-
гии получения диэлектрика. Для термического окисла основная часть ловушек
локализована вблизи границ диэлектрического слоя на расстоянии 50–70 нм.
В результате были разработаны способы увеличения радиационной стойкос-
ти микросхем на основе МOП транзисторов, такие как использование тонких
окислов и составных диэлектриков (SiO2/Si3N4/SiO2) [66].
9.2.3.2. Образование быстрых поверхностных состояний
Экспериментально установлено, что при облучении на границе раздела кремний
диэлектрик создаются новые поверхностные состояния. Образованием быстрых
поверхностных состояний объясняются искажения вольт-фарадных характерис-
тик (появление плато или пика на переходной области высокочастотной характе-
ристики). Быстрые поверхностные состояния образуются за счет обрыва Si–О–Si
связей, в результате образуются ненасыщенные связи трехвалентного кремния и
немостикового кислорода. Введение поверхностных состояний связано с форми-
рованием Pb дефектов, которые по данным разных авторов дают уровни на рас-
стоянии 0,30–0,40 эВ от разрешенных зон или вблизи середины запрещенной
зоны. Наличие водорода в окисле подавляет введение поверхностных состояний
при облучении.
9.2.3.3. Влияние радиации на проводимость диэлектрических слоев
В случае, если энергия частицы или фотона больше высоты потенциального ба-
рьера на границе диэлектрика с полупроводником или электродом, фототок мо-
жет возникнуть вследствие инжекции носителей заряда из одного из электродов.
Если энергия ионизирующего излучения больше ширины запрещенной зоны ди-
электрика, фототок возникает вследствие генерации электронно-дырочных пар
внутри диэлектрика. В последнем случае величина фототока не зависит от по-
лярности приложенного напряжения. Насыщение фототока при увеличении на-
пряжения говорит о том, что все генерируемые носители доходят до электродов.
Величина фототока определяется переносом носителей через диэлектрик. При отно-
сительно высоком напряжении на структуре облучение может приводить к пробою
диэлектрика. В зависимости от вида облучения и типа диэлектрика проводимость
диэлектрика может как увеличиваться, так и уменьшаться, что обычно соответ-
ствует введению разных по знаку зарядов. Поэтому при облучении структур с двух-
слойными диэлектриками, в которых при облучении накапливается заряд проти-
воположных знаков, можно ожидать минимальных изменений вольт-амперных
или C-V характеристик.
9.2.3.4. Отжиг облученных диэлектрических слоев
Восстановление радиационных повреждений наиболее интенсивно идет при тем-
пературах отжига 150–300 °С, и при повышении Т до 400 °С, как правило, проис-
ходит полное восстановление электрических характеристик структур. Восстанов-
ление свойств при более низких температурах связывают с туннельной эмиссией,
а при более высоких – с возбуждением электронов из зоны проводимости крем-
ния на положительно заряженные центры в окисле. Термический отжиг при та-
ких же температурах позволяет устранить лишь часть быстрых поверхностных со-
стояний, тогда как остальная часть, вызванная с разрывом связей, отжигается при
существенно более высоких температурах.
9.2.3.5. Иерархия времен радиационно индуцированных процессов
в структурах с диэлектриком
Вопросы оценки времен радиационно-индуцированных процессов в структурах с
диэлектриком наиболее глубоко рассмотрены в работе [69], в которой были при-
ведены следующие значения:
10–15–10–13 с – время термолизации горячих носителей;
10–13–10–11 с – время пролета электронов через слой SiO2 толщиной 100 нм
(μe ~ 20 см2/Вс);
10–11–10–8 с – время генерационно-рекомбинационного равновесия;
10–6–10–3 с – время пролета дырок через слой SiO2 толщиной 100 нм
(μh ~ 10–7 см2/Вс), установление стационарного распределения дырок;
10–104 с – время захвата дырок на локализованные состояния, образование
объемного заряда;
101–104 с – время установления рекомбинационного равновесия между сво-
бодными электронами в зоне проводимости и захваченными дырками;
104–107 с – время выброса захваченных дырок с локализованных состояний.
9.2.3.6. Пути повышения стабильности структур
с диэлектрическими слоями
Анализ физических процессов, протекающих в диэлектрических слоях двуокиси
кремния на кремнии, позволил рекомендовать следующие методы повышения их
стабильности при облучении слоями [70]:
1) использование слоев SiO2, полученных по сверхсухой технологии, в кото-
рых отсутствуют локализованные состояния для захвата носителей;.
2) использование слоев SiO2, пассивированных тонкими слоями нитрида;
3) использование слоев нитрида и оксинитрида с высокими сечениями реком-
бинации неравновесных носителей;
4) использование сверхтонких слоев диэлектрика, обеспечивающих стекание
радиационного заряда;
5) использование двух- и трехслойных диэлектриков, причем с подложкой
должен контактировать оптимизированный слой SiO2.