Рус Eng За 365 дней одобрено статей: 2065,   статей на доработке: 293 отклонено статей: 786 
Библиотека

Вернуться к содержанию

Электроника и электротехника
Правильная ссылка на статью:

Влияние воздействия ионизирующих излучений и горячих электронов на МОП структуры
Мустафаев Гасан Абакарович

доктор технических наук

профессор, ФГБОУ ВО "Кабардино-Балкарский государственный университет"

360004, Россия, Республика Кабардино-Балкарская, г. Нальчик, ул. Чернышевского, 173, каб. 122

Mustafaev Gasan Abakarovich

Doctor of Technical Science

Professor, Department of Computer Technologies and Integrated Circuits, Kabardino-Balkarian State University

360004, Russia, respublika Kabardino-Balkarskaya, g. Nal'chik, ul. Chernyshevskogo, 173, kab. 122

arslan_mustafaev@hotmail.com
Другие публикации этого автора
 

 
Мустафаев Арслан Гасанович

доктор технических наук

профессор, ГАОУ ВО "Дагестанский государственный университет народного хозяйства"

367015, Россия, Республика Дагестан, г. Махачкала, ул. Атаева, 5, каб. 4.5

Mustafaev Arslan Gasanovich

Doctor of Technical Science

Professor of the Department "Information technologies and information security" of the Dagestan State University of National Economy

367015, Russia, respublika Dagestan, g. Makhachkala, ul. Ataeva, 5, kab. 4.5

arslan_mustafaev@hotmail.com
Другие публикации этого автора
 

 

Аннотация.

Проведено исследование деградации метало -оксидных полупроводниковых МОП структур с нитрированием подзатворного оксида при воздействии горячих электронов и ионизирующего излучения. Были исследованы два фактора, вызывающие деградацию МОП структур и на которые, имеет разное влияние нитрирование. Получены результаты воздействия ионизирующего облучения на МОП структуры с термическим нитрированием при различной температуре и длительности нитрирования и без нитрирования. Показано что температура и длительность операции нитрирования уменьшают величину изменения напряжения. Наблюдающиеся изменения напряжения могут быть следствием увеличения воздействия ловушек электронов, или уменьшения воздействия ловушек дырок. Деградация характеристик приборов под воздействием радиоактивного облучения и горячих электронов существенно зависят от температуры и длительности термического нитрирования. Опасность радиоактивного облучения постоянно уменьшается при увеличении степени нитрирования, а опасность деградации под действием горячих электронов при увеличении степени нитрирования уменьшается, но с дальнейшим увеличением степени нитрирования также увеличивается.

Ключевые слова: полупроводниковый прибор, технология СБИС, МОП, нитрирование, диоксид кремния, термообработка, деградация, горячие электроны, радиационная стойкость, оксид кремния

DOI:

10.7256/2453-8884.2019.1.30371

Дата направления в редакцию:

24-07-2019


Дата рецензирования:

25-07-2019


Дата публикации:

29-07-2019


Abstract.

The study of the degradation of metal-oxide semiconductor MOS structures with nitration of the gate oxide under the influence of hot electrons and ionizing radiation was carried out. Two factors were investigated that cause the degradation of MOS structures and on which nitration has a different effect. The results of ionizing irradiation on MOS structures with thermal nitration at different temperatures and duration of nitration and without nitration were obtained. It is shown that the temperature and duration of the nitration operation reduce the magnitude of the voltage change. The observed voltage changes may be due to an increase in the effect of electron traps, or a decrease in the effect of hole traps. The degradation of the characteristics of the devices under the influence of radioactive radiation and hot electrons substantially depend on the temperature and duration of thermal nitration. The risk of radiation exposure is constantly decreasing with increasing degree of nitration, and the risk of degradation under the action of hot electrons decreases with increasing degree of nitration, but with a further increase in the degree of nitration also increases.

Keywords:

degradation, heat treatment, silicon dioxide, nitriding, MOS, VLSI technology, semiconductor device, hot electrons, radiation hardness, silicon oxide

Проведено исследование деградации структур метал-оксид-полупроводник (МОП) с нитрированием подзатворного оксида при воздействии горячих электронов и ионизирующего излучения. Были исследованы факторы, вызывающие деградацию и на которые нитрирование имеет разное влияние.

Термический оксид на кремниевой пластине диаметром 100 мм, р -типа (100) имел толщину около 10 нм. Оксид был термически нитрирован при температуре 900- 1200 °С в течение 10, 30 и 60с. МОП структуры были изготовлены с этой оксидной пленкой как подзатворным диэлектриком по стандартному поликремниевому процессу. Ионизирующее облучение проводилось рентгеновским излучением энергией 50 кэВ до дозы 0,5 Мрад по кремнию. Оценки изменения параметров после облучения проводились методом вольт-фарадных характеристик, снимавшихся в высокочастотном и квази­статическом режимах.

Результаты воздействия ионизирующего облучения на МОП структуры с термическим нитрированием при различной температуре и длительности нитрирования и без нитрирования показаны на рис.1. На рис. 1а показана зависимость изменения плотности межслойных состояний (ΔDitm * 1011 см-2эВ-1) вызванного облучением 0,5 Мрад при разных температурах и длительности нитрирования. Генерация межслойных состояний уменьшается как при увеличении температуры, так и при увеличении длительности нитрирования. Для сильно нитрированных образцов наблюдается изменение почти на порядок. Рис. 1б показывает изменение порогового напряжения ΔV в результате облучения, также для образцов, подвергавшихся нитрированию при разных температурах с разной длительностью. Как видно из рис. 1б увеличение температуры и длительности нитрирования снижают величину изменения напряжения. Наблюдающиеся изменения напряжения могут быть следствием либо увеличения воздействия ловушек электронов, либо уменьшения воздействия ловушек дырок. Теоретические расчеты показывают, что длина связки Si—N в структуре Si2N2O равная 0,12 нм, короче, чем длина связки Si—О в тетраэдной структуре SiO4, равная 0,262 нм. Поэтому в результате нитрирования происходит ограничение оксидной области, вызванное формированием связки кремний-азот.

1_03

1_04

Рис. 1. Зависимость изменения плотности межслойных состояний вызванного облучением 0,5 Мрад а), при разных температурах и длительности нитрирования, б- изменение напряжения ΔV в результате облучения, для образцов, подвергавшихся нитрированию при температуре: 1- 900 °С, 2- 1000 °С, 3- 1100 °С, 4- 1200 °С.

По мере увеличения длительности нитрирования связки кремний-кислород уничтожаются и заменяются связками кремний-азот. Влияние нитрирования на радиационную стойкость определяется генерацией промежуточных состояний вследствие распространения дефектов, вызванных облучением, в направлении границы диоксид кремния –кремний [1, 2]. Скорость распространения зависит от градиента напряжений на границе. Исследовалась эта зависимость для области затвора, результаты исследования показаны на рис. 2. Нитрирование обеспечивает существенную защиту, при нитрировании оксида радиационная стойкость приборов повышается [3, 4]. При понижении температуры нитрирования и сокращении ее длительности эффект соответственно снижается.

2_03

Рис. 2. Зависимость изменения плотности межслойных состояний, вызванная облучением, по площади затвора для чистого оксида (1) и для нитрирования при температуре 1100 °С в течение 60 с (2).

При нагрузке плотностью постоянного тока -1 мА/см2 (имитация горячих электронов) изменение плотности межслойных состояний в зависимости от длительности нитрирования при разных температурах (рис. 3), после некоторого времени нитрирования прекращает нарастать и начинает уменьшаться.

3_02

Рис. 3. Изменение плотности межслойных состояний в зависимости от длительности нитрирования при температурах: 1- 900 °С, 2- 1200 °С, 3- 1100 °С.

Деградация характеристик приборов под воздействием радиоактивного облучения и горячих электронов существенно зависят от температуры и длительности термического нитрирования. Опасность радиоактивного облучения постоянно снижается при увеличении степени нитрирования, а опасность деградации под действием горячих электронов при увеличении степени нитрирования вначале уменьшается, но при дальнейшем увеличении степени нитрирования начинает расти.

Библиография
1.
Karna Sh.P., Pincda A.C., Pugh R.D., Shedd W.M., Oldham T.R. Electronic structure theory and mechanisms of the oxide trapped hole annealing process. // IEEE Trans.on Nucl.Sci. 2000. Vol.NS-47. No 6. P.2316-2321.
2.
Miyazaki S., Tamura Т., Ogasawara M., Itokawa H., H. Murakami, M. Hirose. Influence of nitrogen incorporation in ultrathin SiO2 on the structure and electronic states of the SiO2/Si(100) interface. Appl. Surface Science, 2000, v. 75, p. 159-160.
3.
Naumova O. V., Fomin B. I., Sakharova N. V., Ilnitsky M. A., Popov V.P. Impact of implantation on the properties of N2O-nitrided oxides of p+- and n+-gate MOS devices. -Nucl. Instrum. and Methods B, 2009, v. 267, N 8-9, p. 1564-1567.
4.
Imamura K., Maida O., Hattori K., Takahashi M., Kobayashi H. Low temperature formation ofSiO2/Si structure by nitric acid vapor. J. Appl. Phys, 2006, v. 100, p. 114910 (4).
References (transliterated)
1.
Karna Sh.P., Pincda A.C., Pugh R.D., Shedd W.M., Oldham T.R. Electronic structure theory and mechanisms of the oxide trapped hole annealing process. // IEEE Trans.on Nucl.Sci. 2000. Vol.NS-47. No 6. P.2316-2321.
2.
Miyazaki S., Tamura T., Ogasawara M., Itokawa H., H. Murakami, M. Hirose. Influence of nitrogen incorporation in ultrathin SiO2 on the structure and electronic states of the SiO2/Si(100) interface. Appl. Surface Science, 2000, v. 75, p. 159-160.
3.
Naumova O. V., Fomin B. I., Sakharova N. V., Ilnitsky M. A., Popov V.P. Impact of implantation on the properties of N2O-nitrided oxides of p+- and n+-gate MOS devices. -Nucl. Instrum. and Methods B, 2009, v. 267, N 8-9, p. 1564-1567.
4.
Imamura K., Maida O., Hattori K., Takahashi M., Kobayashi H. Low temperature formation ofSiO2/Si structure by nitric acid vapor. J. Appl. Phys, 2006, v. 100, p. 114910 (4).