Моделирование работы и процессов деградации МОП транзисторов, обусловленных воздействием ионизирующего излучения

Актуальность темы

диссертации. Элементы на основе структур металл — оксидполупроводник (МОП) составляют в настоящее время основу современной микроэлектроники и лежат в основе огромной индустрии производства компьютеров и разнообразных электронных компонентов. В свою очередь, МОП транзисторы являются ключевой составляющей МОП технологий. В этих условиях особое значение приобретают вопросы разработки и обеспечения надежного функционирования МОП транзисторов. Это невозможно без детального понимания физики работы транзистора и физических процессов, ответственных за деградацию их параметров, особенно под воздействием дестабилизирующих факторов как внешнего характера, таких как ионизирующее излучения, так и внутренних, таких как воздействие горячих носителей. Всестороннее и комплексное исследование и моделирование физических процессов функционирования, а также механизмов деградации и старения в МОП структурах вообще, и в МОП транзисторах в частности, является необходимым условием разработки адекватных методов предсказания надежности микроэлектронных компонентов и, с практической точки зрения, является актуальной задачей и будет оставаться таковой в течение продолжительного времени.

Проблема моделирования процессов деградации в элементах микроэлектроники, в частности, в МОП транзисторах, носит комплексный характер. Она сводится к моделированию деградации электрофизических параметров транзисторов с последующим моделированием деградации функциональных характеристик самих транзисторов. Поэтому, моделирование процессов деградации параметров транзисторов трудно отделить от моделирования работы транзистора в целом. Процессы деградации выражаются не только в количественном дрейфе параметров приборов, но, зачастую, приводят к качественному изменению характера функционирования прибора. Это связано с тем, что модели приборов разрабатываются, как правило, для идеального случая, без учета дополнительных физических процессов, проявляющихся в процессе деградации. В частности, передаточная характеристика МОП транзисторов после облучения существенно меняет свою форму особенно в области слабых токов, и такое изменение формы характеристики невозможно свести только к изменению крутизны и порогового напряжения транзисторов.

Надежность МОП транзисторов определяется, главным образом, надежностью границы раздела Si-Si02. В частности, она существенно зависит от стабильности дефектной структуры самой границы раздела. Функциональные характеристики приборов весьма чувствительны к количеству, пространственному и энергетическому расположению дефектов и их энергетических уровней, к сечениям их перезарядки и т. п.

Это связано с тем, что рабочей областью прибора является инверсионный слой, расположенный в кремнии непосредственно у границы раздела. Заряженные дефекты в окисле вблизи границы раздела Si-Si02 сильно влияют на кинетические параметры переноса носителей в инверсионных слоях. Это связано, во-первых, с увеличением интенсивности рассеяния на заряженных дефектах и соответствующем уменьшении подвижности носителей, и, во-вторых, с возможностью перезарядки этих дефектов при изменении напряжении на затворе. Оба процесса существенно определяют крутизну прибора и, соответственно, его быстродействие.

В зависимости от изменения заряда на дефектах как функции поверхностного потенциала, принято разделять дефекты на поверхностные состояния и заряд в окисле. Деградация МОП транзисторов связана, главным образом, с изменением заряда на дефектах в окисле и на поверхностных состояниях (ПС).

Основными дестабилизирующими факторами, обуславливающими деградацию МОП транзисторов, являются ионизирующее излучение и воздействие горячих носителей. Оба эти дестабилизирующие фактора приводят к зарядке окисла и образованию ПС, что в свою очередь обуславливает изменение порогового напряжения и крутизны, определяющих такие важнейшие функциональные характеристики приборов, как токи потребления и быстродействие.

Понимание механизмов и моделирование процессов деградации является необходимым условием создания методик прогнозирования надежности микроэлектронных систем. При этом, подход к моделированию должен носить комплексный характер, начиная от моделирования дефектообразования и отжига, и заканчивая моделированием работы всего транзистора в целом.

Сформулируем основные пункты этого подхода.

• Выявление основных типов дефектов в SiC>2, ответственных за деградацию границы раздела и создание моделей этих дефектов, объясняющих их основные свойства.

• Создание кинетической модели перезарядки этого дефектов за счет обмена носителями между ними и подложкой.

• Выяснение критерия разделения дефектов на заряд в окисле и поверхностные состояния. Критический анализ старых методик разделения заряда в окисле и на ПС и создание новых методик разделения, включая определение энергетического спектра ПС.

• Создание кинетической модели накопления и релаксации заряда в окисле при воздействии радиации в постоянном электрическом режиме и в режиме переключений во время облучения.

• Создание кинетической модели накопления и релаксации ПС при воздействии радиации при воздействии импульсного и стационарного облучения.

• Создание модели деградации МОП транзисторов, обусловленной горячими носителями. Выявление сходства и различия радиационно-индуцированной деградации и деградации, вызванной горячими носителями.

• Создание модели вольтамперной характеристики МОП транзистора, позволяющей единым образом описывать характеристики приборов во всем диапазоне напряжений на затворе и стоке, в широком диапазоне температур функционирования, с возможностью учета спектра ПС на вид характеристики.

Выполнение этой программы сталкивается с серьезными трудностями, связанными с тем, что многие физические механизмы процессов деградации остаются до сих пор невыясненными, многие модели являются неполными, противоречивыми и до сих пор остаются предметом дискуссии.

Основными нерешенными проблемами в этой области являются:

• Проблема образования, отжига и самой природы и структуры радиационно-индуцированных ПС.

• Проблема выяснения доминирующего механизма влияния ПС на крутизну МОП транзисторов.

• Проблема особенностей деградации при воздействии горячих носителей по сравнению радиационно-индуцированной деградации и механизмов их комбинированного воздействия.

Полное выполнение этой программы невозможно в рамках одной диссертации и лежит за пределами возможности одного человека. Тем не менее, представленная диссертация представляет собой попытку реализации этой программы по указанным пунктам, уделяя особое внимание нерешенным проблемам.

Цель диссертации — разработка методов физического моделирования МОП транзисторов, включая процессы транспорта электронов в сильных полях, рассеяния и экранирования в инверсионных слояхразработка моделей деградации окислов МОП транзисторов, включая накопление захваченного заряда и поверхностных состояний (ПС) под воздействием ионизирующего излучения и горячих носителейисследование, анализ и моделирование процессов дефектообразования в окисле и на границе раздела Si-Si02 на основе анализа и интерпретации оригинальных экспериментальных данныхисследование и моделирование эффектов деградации параметров МОП транзисторов для разных температур и электрических режимов как функции полной дозы и мощности дозы, конечной целью которых является создание методик предсказания долговременной надежности и радиационной стойкости микроэлектронных элементов МОП технологии.

Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие основные задачи:

• Разработка продвинутой физической модели МОП транзистора, позволяющей последовательным образом учитывать влияние тонких физических механизмов, ответственных за процессы деградации, таких как спектр поверхностных состояний, поведение электрических полей вдоль канала и в районе стока, соотношение диффузионной и дрейфовой компоненты тока в канале в любом режиме работы транзистора.

• Моделирование процессов радиационно-индуцированного накопления заряда в окисле МОП структур и его релаксации в ходе облучения и отжига как функции дозы, мощности дозы, температуры и электрического режима.

• Исследование и выяснение природы и возможного механизма встраивания радиационно-индуцированных поверхностных состояний, исследование влияния водорода в окисле на его радиационный отклик, в частности на образование поверхностных состояний.

• Разработка концепции радиационно-индуцированных «поверхностных состояний» как перезаряжающихся дефектов на границе Si-Si02 или в прилегающей области, дающих вклад быструю перезарядкусоздание модели дефекта, ответственного за такую перезарядку.

• Исследование процессов деградации обусловленных горячими носителями и их взаимодействия с процессами радиационной деградации. Разработка модели генерации горячих носителей в канале, основанная на предложенной автором модели МОП транзистора.

Методы проведенных исследований.

При разработке предложенных в диссертации моделей использовались методы и подходы приборной физики, физики полупроводников и диэлектриков, физики радиационных дефектов, численные методы интегрирования и решения дифференциальных уравнений и нелинейных уравнений.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

1. На основе решения уравнения непрерывности тока в канале впервые разработана физическая модель МОП транзистора, способная единым и непрерывным образом описывать в аналитической форме вольтамперные характеристики (ВАХ) транзистора во всех режимах его работы, а также распределения электрических полей и концентрации носителей вдоль канала, которая позволяет учитывать такие тонкие вещи как влияние спектра поверхностных состояний на форму ВАХ во всех режимах работы приборов и для всех температур функционирования. В рамках предложенной модели впервые проведен последовательный учет влияния зависимости подвижности от величины тянущего электрического поля и его распределения вдоль канала, что абсолютно необходимо для корректных расчетов ВАХ современных короткоканальных приборов.

2. Исследовано влияния флуктуаций потенциала, обусловленных зарядом в окисле, на величину локализованного заряда в канале и влияние экранирования этих флуктуаций разных масштабов на эффективную подвижность носителей в инверсионном слое.

3. Предложен новый метод расчета релаксации, обусловленной рассеянием носителей на шероховатостях границы раздела Si-Si02, которая является одним из основных механизмов рассеяния, формирующих подвижность в режиме сильной инверсии.

4. Предложена кинетическая модель накопления и релаксации радиационно-индуцированных положительно заряженных дефектов в окисле, с учетом туннелирования носителей из подложки и захвата радиационно-индуцированных электронов из зоны проводимости Si02- Показано, что модель может описывать процессы накопления и отжига заряда в окисле во время и после облучения при любом временном профиле мощности дозы и в условиях высокочастотного переключения напряжения на затворе во время облучения.

5. На основе анализа экспериментальных данных по измерению радиационно-индуцированных ПС как функции температуры измерения, полученных в месте с соавторами, был сделан вывод, что классические представления о поверхностных состояниях, расположенных строго на границе раздела Si-SiCh не могут объяснить полученные зависимости. Показано, что противоречие разрешается, только если допустить, что радиационно-индуцированные дефекты, воспринимаемые при измерении как поверхностные состояния расположены не только на границе раздела, но и в прилегающем слое окисла.

6. На основе этих данных предложена концепция перезаряжающихся центров с уровнями, находящимися напротив запрещенной зоны кремния, которые могут давать вклад в обратимую перезарядку при изменении уровня Ферми в ходе развертки напряжения на затворе. Количество перезаряжающихся дефектов зависит от температуры измерения, и скорости развертки и одни и те же дефекты в зависимости от условий развертки могут восприниматься и как поверхностные состояния и как заряд в окисле.

7. Предложены и опубликованы новые методы определения поверхностных состояний, позволяющие дополнить существующие методы разделения поверхностных состояний и захваченного заряда в окисле.

8. Показано теоретически и получены экспериментальные данные о том, что радиационно-индуцированная деградация крутизны в передаточной характеристики в надпороговой области обусловлена в большей не уменьшением подвижности, а перезарядкой образовавшихся поверхностных состояний.

9. Предложена теоретическая модель бистабильной Е'-центра, способной объяснить многие особенности накопления радиационно-индуцированных ПС.

Практическая значимость результатов диссертации:

1. Программа, основанная на предложенной модели МОП транзистора, позволяет проводить детальные расчеты во всех диапазонах, варьируя параметры, которые жестко задаются в стандартных системах схемотехнического проектирования, типа SPICE LEVEL 3 и выше. Вместе с тем, будучи совместимой по набору параметров со стандартными пакетами, программа позволяет легко проводить предварительную экстракцию параметров, являющихся входными для моделей SPICE LEVEL 3 или BSIM.

Метод и программа для расчета генерации горячих носителей в канале транзистора, основанный на предложенной модели позволяет предсказывать долговременную деградацию параметров приборов под воздействием горячих электронов.

2. Разработанные программы для кинетического описания накопления и отжига радиацион-но-индуцированного заряда в окисле позволяют проводить предсказание поведения параметров приборов в условиях длительного низкоинтенсивного облучения, основываясь на результатах кратковременного облучения с высокой мощностью дозы в лабораторных условиях, что является необходимым условием прогнозирования надежности микроэлектронных систем в условиях длительного существования в космическом пространстве.

3. Установленные механизмы и разработанные модели деградации позволяют сформулировать практические рекомендации для проведения ускоренных испытаний с целью адекватного прогнозирования долговременной радиационной стойкости и надежности элементов МОП технологий.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Новая физическая модель МОП транзистора, основанная на последовательном решении уравнении непрерывности тока в канале с учетом соотношения диффузионной и дрейфовой составляющей тока.

2. Метод вычисления составляющей времени релаксации носителей на шероховатостях границы раздела Si-Si02 и зависимость подвижности от величины прижимающего электрического поля в инверсионном слое канала МОП транзистора. Экранирование флуктуаций потенциала разных масштабов в инверсионных слоях и связь этих процессов с подвижностью.

3. Модель накопления и релаксации радиационно-индуцированного заряда в окисле, одновременно учитывающая релаксацию за счет туннелирования носителей из кремниевой подложки и за счет захвата радиационно-индуцированных электронов из подложки (радиацион-но-стимулированный отжиг).

4. Установление аномального характера зависимости логарифмического подпорогового наклона от температуры измерения в облученных МОП транзисторах по сравнению с необлу-ченными приборами. Вывод о том, что это можно объяснить только появлением непрерывного диапазона времен перезарядки, обусловленного пространственным расположением дефектов и положением их энергетических уровней.

5. Концепция перезаряжаемых состояний, как дефектов любого рода с уровнями энергии, расположенными напротив запрещенной зоны кремния, способных давать вклад в процессы обратимой перезарядки при изменении положения уровня Ферми. Операциональное определение плотности поверхностных состояний, как количества перезарядившихся ловушек за характерные времена развертки вне зависимости от природы этих ловушек и их пространственного расположения. Установление связи между медленной обратимой перезарядкой окисла и быстрой обратимой перезарядкой как единого процесса, обусловленного, возможно, ловушками одного типа, но с разными временами перезарядки.

6. Модель структуры дефекта обладающего бистабильной конфигурацией, ответственного за обратимую перезарядку на всех временных масштабах. Переход из электрически неактивной парамагнитной конфигурации в дипольную диамагнитную конфигурацию со значительно более высоким сечением перезарядки, как возможный механизм объяснения затянутого характера встраивания радиационно-индуцированных поверхностных состояний.

7. Теоретическое обоснование и экспериментальные данные в пользу того, что стандартное объяснение затянутого характера накопления ПС после импульса радиации как следствие дисперсионного переноса протонов в БЮг не имеет универсального значения и, скорее всего, неверна.

8. Методики определения плотности поверхностных состояний по измерениям температурной и по зависимости тока стока от напряжения исток-подложка.

9. Выявление сходства и различия процессов деградации обусловленного ионизирующего излучения и горячими носителями. Метод расчета деградации горячими носителями и использование тока подложки как индикатора эффекта горячих носителей.

Личный вклад соискателя. Все результаты теоретические результаты, модели, расчеты и интерпретации экспериментальных данных, приведенные в диссертации, получены и предложены лично соискателем, либо при его непосредственном участии. Экспериментальные результаты, приведенные в диссертации, выполнены В. Н. Безбородовым, С. С. Ломакиным, А. А. Комаровым и, главным образом В. В. Емельяновым и В. В. Беляковым, и опубликованы в совместных работах с соискателем. Вклад научного руководителя Р. Г. Усейнова связан с постановкой задачи и целей исследования. Р. Г. Усейнов и В. С. Першенков принимали активное участие в большинстве работ соискателя. Вклад остальных соавторов связан с обсуждением результатов и выполнением экспериментов.

Связь работы с крупными научными программами и темами.

В последние годы работа проводилась в Московском инженерно-физическом институте (государственном университете) в рамках следующих государственных отраслевых и научно-исследовательских работ;

1) программы Международного научно-технического центра (проекты 1003 и 0451);

2) федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения» в рамках подпрограммы «Перспективная элементная база микроэлектроники».

Апробация результатов диссертации. Основные результаты диссертации докладывались на ежегодных всероссийских конференциях «Радиационная стойкость» (НИИП, г. Лыткарино), ежегодных Научных сессиях МИФИ (1999;2002), Международных конференциях «Микроэлектроника и наноэлектроника» (Зеленоград 2001;2002), Международных конференциях в Молдове (1997;2002), Румынии (1998), Югославии (MIEL), ежегодных Европейских конференциях RADECS (1995, 1999, 2001;2002), ежегодных американских конференциях ШЕЕ NSREC (1996, 2000;2002).

Опубликованные результаты. По теме диссертации опубликовано 15 статей в научно-технических журналах «Физика и техника полупроводников», «Микроэлектроника», «Инженерная физика», «Приборы и техника экспериментов», «Вопросы атомной науки и техники», «IEEE Transactions on Nuclear Science», 3 статей в научно-технических сборниках, 5 статей в материалах международных конференций и 4 тезисов докладов в сборниках научных конференций. Общее количество опубликованных материалов составляет около 110 страниц.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, восьми глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 126 страниц. Диссертация содержит 34 рисунка.

Список литературы

содержит 132 наименования.

Выводы.

Можно отметить следующие особенности полученных экспериментальных результатов.

• Не произошло заметного изменения спектра поверхностных состояний в подпороговой области в процессе всех циклов электрической нагрузки, а также облучения и отжига. По мере продвижения в область меньших токов (или, что-то же самое, в область обеднения) изменения энергетической области D, t постепенно уменьшаются.

• Довольно неожиданным оказался результат воздействия горячих носителей во время электрической нагрузки. Вольтамперная характеристика приборов в подпороговой области сместилась без искажений в сторону меньших напряжений, что эквивалентно положительной зарядке. Вместе с тем, в надпороговой области уровень одинакового тока сдвинулся в правую сторону. Подобные результаты были получены также в работе [132]. Этот результат может быть интерпретирован как-то, что хвост плотности состояний в данном случае в значительной степени обусловлен поверхностными ловушками донорного типа. Они характеризуются тем, что в незаполненном состоянии заряжены положительно, а после заполнения электронами становятся нейтральными.

• Облучение после цикла электрической нагрузки не привела к дополнительному наклону надпороговой крутизны. Напротив, крутизна после облучения даже немного возросла (см. рис. 8.5). Это свидетельствует о том, что механизмы деградации при воздействии облучения и горячих носителей не являются аддитивными.

• Во время изотермического отжига произошло восстановления надпороговой крутизны до значений, выше начальных.

• Результаты второго цикла электрической нагрузки качественно не отличались от результатов первого цикла нагрузки.

• Изменения спектра поверхностных состояний в подпороговой и надпороговых областях вольтамперной характеристик при облучении и электрической нагрузке, в общем случае не коррелируют друг с другом.

• Мы полагаем, что необычное поведение вольтамперной характеристики при электрической нагрузке может быть обусловлено появлением в верхней части запрещенной зоны кремния специфических поверхностных ловушек донорного типа. По-видимому, поверхностные ловушки такого типа нетипичны для случая радиационной деградации.

• Построена и проверена теоретическая модель, предложены возможные микроскопические механизмы деградации. Указано на принципиальную общность деградации при воздействии облучения и горячих носителей.

Полученные экспериментальные данные дают основания полагать, что механизмы деградации при облучении и воздействии горячих носителей, по меньшей мере, не являются аддитивными. Более того, имеет место даже частичная компенсация двух механизмов деградации. Это свидетельствует о том, что, несмотря на внешнее сходство этих двух процессов деградации, они обусловлены разными группами дефектов вблизи границы раздела Si-Si02. Этот факт существенно затрудняет прогнозирование надежности элементов МОП технологий при совместном воздействии радиации и горячих носителей. Эта проблема требует дополнительных исследований.

Заключение

.

Результаты проведенных исследований позволяют сделать следующие основные выводы:

1. Разработанная диффузионно-дрейфовая модель МОП транзистора, способная единым и непрерывным образом описывать в аналитической форме вольтамперные характеристики транзистора во всех режимах его работы, может быть использована для моделирования работы облученных приборов с большим количеством поверхностных состояний, обладающих нетривиальным энергетическим спектромв частности, можно проводить учет хвостов плотности состояний вблизи краев зон, которые существенно влияют на крутизну передаточной характеристики в надпороговом режиме работы транзистора. Распределение электрического поля вдоль канала, полученное в рамках указанной модели, использовалось для расчета скорости генерации горячих носителей, обуславливающих деградацию приборов. Разработана программа расчета ВАХ МОП транзисторов в рамках предложенной модели.

2. Показано, что последовательный учет влияния зависимости подвижности от величины тянущего электрического поля при аналитическом решении уравнения непрерывности тока в канале оказывает существенное влияние на форму и ВАХ современных короткоканальных приборов и на распределение электрического поля вдоль канала, что является очень важным для расчета интенсивности генерации горячих носителей.

3. Флуктуации потенциала в инверсионном слое МОП транзистора, обусловленные зарядом в окисле, влияют на эффективную крутизну в канале за счет двух механизмов- 1) за счет изменения микроскопической подвижности, обусловленной рассеянием на флуктуациях потенциала- 2) за счет перезарядки хвостов плотности поверхностных состояний вблизи краев зон.

4. Показано, что известная зависимость эффективной подвижности от напряжения на затворе в надпороговой области работы МОП транзистора за счет эмпирического фактора редукции 0, обусловлена рассеянием на шероховатостях поверхности границы раздела Si-Si02.

5. Разработанная кинетическая модель накопления и туннельной релаксации радиационно-индуцированных положительно заряженных дефектов в окисле дает возможность рассчитывать процессы накопления и отжига заряда в окисле при любом временном профиле мощности дозы. Параметры, извлеченные из экспериментов в лабораторных условиях, проведенных с мощностью дозы, обеспечивающей приемлемую продолжительность испытаний (например, -200 рад (8Ю2)/с), могут быть использованы для прогнозирования радиационного отклика МОП приборов в космическом окружении с малыми мощностями дозы ионизирующего излучения (<10~3 рад (БЮгУс). Это дает основание использовать данную модель как основу для создания методики прогнозирования долговременной радиационной стойкости МОП приборов к воздействию низкоинтенсивного, космического излучения.

6. Исследование процессов радиационно-стимулированного отжига, связанного с процессом компенсации положительного заряда в окисле радиационно-индуцированными электронами из зоны проводимости Si02 показало, что такие процессы особенно важны при облучении в условиях реального функционирования приборов при высокочастотных переключениях напряжения на затворе. Разработанная модель и программа расчетов радиационно-стимулированного отжига позволяет проводить прогнозирование радиационного отклика МОП транзисторов в условиях высокочастотных переключений. Был сделан вывод о том, что рост положительного заряда в окисле ограничивается захватом радиационно-индуцированных электронов, генерируемых в окисле, и инжектируемых во время облучения из кремниевой подложки.

7. На основе анализа экспериментальных данных по измерению радиационно-индуцированных ПС как функции температуры измерения, полученных вместе с соавторами, был сделан вывод, что классические представления о поверхностных состояниях, расположенных строго на границе раздела Si-Si02 не могут объяснить полученные зависимости. Показано, что противоречие разрешается, только если допустить, что радиационно-индуцироваиные дефекты, воспринимаемые при измерении как поверхностные состояния расположены не только на границе раздела, но и в прилегающем слое окисла.

8. Анализ экспериментальных данных о процессах накопления радиационно-индуцированных ПС после импульса радиации, дали основания сделать вывод, что протонная модель генерации ПС не имеет достаточных экспериментальных и теоретических обоснований, и, по меньшей мере, не является универсальной. Показано, что предложенная теоретическая модель бистабильного Е'-центра, способна объяснить многочисленные экспериментальные данные о конверсии заряда в окисле в поверхностные состояния. Был сделан вывод о том, что участие водорода в образовании ПС происходит не в форме положительного иона (протона), а скорее в форме нейтрального атомарного водорода.

9. Исследование процессов последовательного воздействия горячих носителей и радиации позволило установить, что изменения спектра поверхностных состояний в подпороговой и надпороговых областях вольтамперной характеристик при облучении и электрической нагрузке, в общем случае не коррелируют друг с другом. Был сделан вывод, что деградация, вызванная горячими носителями, обусловлена появлением в верхней половине запрещенной зоны кремния специфических поверхностных ловушек донорного типа, нетипичных для случая радиационной деградации. Полученные экспериментальные данные дают основания полагать, что механизмы деградации при облучении и воздействии горячих носителей, по меньшей мере, не являются независимыми, что существенно затрудняет прогнозирование надежности элементов МОП технологий при совместном воздействии радиации и горячих носителей.