Разработка конструкции и технологии формирования радиационно-стойких биполярных полупроводниковых структур

Актуальность темы

В последние годы накоплены значительные экспериментальные данные по радиационному материаловедению полупроводников и получила развитие теория и практика физических процессов, протекающих в кремниевых приборных структурах при воздействии различных видов радиации, для регулирования и улучшения ряда электрических параметров кремниевых приборов и интегральных микросхем. Эффективность использования радиационных процессов обусловлена возможностью контролируемого введения радиационных центров в активные области микроэлектронных структур, которые действуют в полупроводнике подобно донорам, акцепторам и глубоким рекомбинационным центрам химической природы. При достаточно высоких концентрациях радиационных центров взаимодействие свободных носителей заряда с ними может определять электрофизические характеристики активных областей структур, а следовательно электрофизические параметры приборов и микросхем. С учетом вариации различных режимов облучения дает возможность получения структур с принципиально новым сочетанием электрофизических и электрических параметров.

Воздействие излучения приводит как к обратимым, так и к необратимым изменениям электрических свойств полупроводниковых приборов и интегральных схем. Поскольку такие изменения могут приводить к отказам радиоэлектронных устройств, значительные усилия в последнее время направляются на разработку методов, позволяющих снизить деградацию параметров приборов и микросхем при облучении, так как применением специальных схемных решении и методов физической защиты радиоэлектронных устройств не всегда достигаются требуемые уровни радиационной стойкости аппаратуры. Необходимой предпосылкой для 5 создания радиационно-стойких приборов и микросхем является понимание основных физических эффектов, происходящих в полупроводниковых материалах, активных и пассивных областях приборов и интегральных схем при воздействии ионизирующих излучений.

Достижение такого понимания позволяет приступить к последовательному осуществлению шагов по разработке радиационно-стойких изделий электронной техники.

Разработка радиационно-стойких полупроводниковых приборов и интегральных схем, является сложной научной и конструктивно технологической задачей. Решение этой задачи стимулировало проведение интенсивных исследований влияние проникающей радиации на полупроводниковые материалы, приборы и микросхемы.

В связи с тем, что проникающая радиация может производить устойчивые изменения электрофизических и электрических характеристик полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, сохраняющиеся стабильно во всём диапазоне потенциально — токовых нагрузок и рабочих температур развиваются работы по использованию проникающей радиации для повышения радиационной стойкости полупроводниковых приборов и микросхем.

Следовательно, проблема совершенствования конструктивно-технологических решений в комплексе с учетом использования ионизирующих излучений при создании радиационно-стойких биполярных полупроводниковых структур является весьма актуальной в связи с постоянным ростом требований по радиационной стойкости, усложнением технологий изготовления и уменьшением геометрических размеров элементов полупроводниковых структур.

Цель диссертационной работы: на основе экспериментального исследования кинетики зарядовых процессов, происходящих в диэлектриках, границы раздела полупроводник-диэлектрик при радиационном облучении 6 разработать конструкцию и технологию формирования радиационно-стойких биполярных полупроводниковых структур.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:

1. Обобщить и проанализировать физические процессы формирования, перестройки поверхностных состояний на границе раздела кремний-диэлектрик, заряда в многослойных диэлектрических структурах, закономерности формирования и поведения дефектов при радиационном облучении.

2. Исследовать взаимосвязь изменения электрофизических параметров структур металл-диэлектрик-полупроводник с зарядовым состоянием физических областей исследуемых структур.

3. Предложить и разработать конструктивно — технологические решения направленные на снижение чувствительности параметров биполярных полупроводниковых структур к воздействию радиации.

4. Исследовать эффективность различных конструктивно технологических вариантов изготовления полупроводниковых структур для целей повышения их радиационной стойкости.

5. Разработка физически обоснованных рекомендаций по оптимизации конструкции биполярных полупроводниковых структур для повышения радиационной стойкости.

Научная новизна результатов работы состоит в следующем: разработаны модели зарядовых процессов, протекающих в диэлектриках и на границе раздела кремний — диэлектрик при радиационном облучении, в которых помимо процессов ионизации и захвата образующихся при этом дырок на ловушки, имеющиеся в данных областях, учитывается влияние водорода и водородных соединений на кинетику процессов;

— показано, что свойства диэлектрических пленок зависят от толщины слоя, а последняя влияет на плотность пор в пленке и скорость травления. 7.

Существование таких зависимостей свидетельствует о том, что система химических связей перестраивается по мере роста пленок, и это приводит к изменениям электрофизических параметров системы полупроводникдиэлектрик за счёт изменения встроенного в диэлектрике заряда и плотности поверхностных состояний на границе раздела полупроводник-диэлектрик;

— на основе исследования распределения заряда в диэлектрической пленке, подвергнутой облучению электронами методом послойного травления показано, что положительный заряд в основном сконцентрирован на расстоянии порядка 10 нм от поверхности раздела диэлектрик-полупроводник;

— показано, что при облучении однослойных структур 81 — 8Ю2 — М и -81зК4 — М, возникающие заряды в них не компенсируются, а в двухслойных системах 81 — 8Ю2 — 81зЫ4 — М происходит уменьшение встроенного заряда за счёт компенсации положительного заряда в двуокиси отрицательным зарядом, накопленным в нитриде кремния;

— показано, что в структуре 81 — 8Ю2 — А120з — М из-за присутствия в объёме А1203 отрицательных ловушек при облучении, кроме введения положительного заряда у границы раздела 81 — 8Ю2, в объём А1203 вводится отрицательный заряд. Чем тоньше окисел, тем сильнее влияние заряда в А120з и тем большим оказывается изменение суммарного заряда в диэлектрике.

— из исследований влияния облучения на структуру с межкомпонентной изоляцией окислом установлен вклад радиационных процессов, происходящих на границе раздела диэлектрик-полупроводник и предложены конструктивнотехнологические варианты изготовления биполярных полупроводниковых структур, обеспечивающие повышение радиационной стойкости.

Практическая ценность работы:

1) Разработаны и опробованы конструктивно — технологические варианты формирования биполярных полупроводниковых структур с межкомпонентной диэлектрической изоляцией, обеспечивающие повышение радиационной стойкости- 8.

2) Показана эффективность облучения у — квантами для снижения ионизационного тока и повышения радиационной стойкости биполярных полупроводниковых структур;

3) Разработана и опробована конструкция планарно-эпитаксиальной биполярной сверхсамосовмещённой транзисторной структуры обеспечивающей технологичность и повышение радиационной стойкости;

4) Предложен метод накопления заряда в структурах металлдиэлектрик-полупроводник при радиационном облучении.

5) Разработан способ повышения быстродействия полупроводниковых приборов основанный на воздействии ионизирующих излучений. На разработанный способ получен патент РФ на изобретение.

Основные положения и результаты выносимые на защиту:

1) Результаты исследования кинетики зарядовых процессов, протекающих в диэлектрике и на границе раздела полупроводникдиэлектрик при радиационном облучении.

2) Теоретические модели зарядовых процессов, при радиационном облучении в диэлектрических слоях и на границе раздела кремнийдиэлектрик.

3) Результаты исследования по формированию диэлектрических пленок с пониженной чувствительностью к воздействию радиации.

4) Результаты использования облучения для получения биполярных полупроводниковых структур с принципиально новым сочетанием электрических параметров и характеристик, повышенной радиационной стойкости.

5) Модели ионизационных процессов в биполярных полупроводниковых структурах.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на ежегодном международном научнотехническом семинаре «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» (Москва 29 ноября- 3 декабря 1999 г, Москва 20- 23 ноября 2000 г, Москва 2001 9 г), на 8, 9 и 10 межнациональных совещаниях «Радиационная физика твёрдого тела» (Севастополь 29 июня- 4 июля 1998 г, Севастополь 28 июня- 3 июля 1999 г, Севастополь 3- 8 июня 2000 г), на 7 международной научнотехнической конференции «Актуальные проблемы твёрдотельной электроники» (Дивноморское, 17- 22 сентября 2000 г), на Второй Российской школе ученных и молодых специалистов по материаловедению и технологиям получения легированных кристаллов кремния, (Москва, 2- 6 июля 2001 г), на СевероКавказской региональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспектива-99» (Нальчик, 23- 26 апреля 1999 г) и «Перспектива 2000» (Нальчик, 21- 24 апреля 2000 г), международном симпозиуме «Фазовые превращения в твердых растворах и сплавах» (г. Сочи, 47 сентября 2002 г), на ежегодных научных конференциях КБГУ 2000, 2002 гг.

Публикации. По материалам диссертации в различных изданиях опубликовано 11 работ.

Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка цитируемой литературы из 104 наименований. Общий объём диссертации 13^ страниц, включая 46 рисунков.

Выводы.

1. На основе анализа теоретических и экспериментальных данных механизмов взаимодействия различных видов проникающего излучения с полупроводниковыми материалами и образования радиационных центров в полупроводниках, а также свойств радиационных центров и влияния их на электрофизические параметры, температурной устойчивости показана возможность применения проникающего излучения для регулирования, улучшения параметров и повышения радиационной стойкости полупроводниковых приборов и микросхем.

2. Показано, что в результате исследования кинетики зарядовых процессов в диэлектрическом слое и на границе раздела кремнийдиэлектрик при радиационной обработке исследуемых структур проявляются эффекты накопления положительного заряда в диэлектрике, роста плотности поверхностных состояний на границе раздела кремнийдиэлектрик. При малых интегральных потоках электронов менее 1012 см" 2, в основном, проявляются радиационные эффекты в объёме диэлектрика, а при больших потоках начинает заметно сказываться влияние процессов увеличения плотности поверхностных состояний на границе раздела кремниидиэлектрик.

3. Показано, что в двухслойных диэлектрических пленках 8Ю2 — 813Ы4 снижение плотности поверхностных состояний обусловлено геттерирующими свойствами нитрида кремния и, что нанесение пленки нитрида кремния на 8Ю2 приводит к стабилизации свойств двухслойных диэлектрических пленок.

4. Показано, что в диэлектрических слоях увеличивается эффективное генерационное время жизни и снижается скорость поверхностной генерации неосновных носителей, уменьшается плотность поверхностных состояний при увеличении содержания хлора в окислительной среде при росте диэлектрических пленок за счёт того, что в свободные связи немостикового.

123 кислорода заполнены ионами водорода или щелочных металлов которые образуют центры типа =8ьО-Ка или =8ьО-Н и связыванием примеси этих центров, образуя бинарные соединения с Н, Ыа и другими ионами.

5. Показано, что толщина диэлектрических пленок влияет на плотность пор и на скорость травления и это свидетельствует о том, что система химических связей перестраивается по мере роста диэлектрических слоев и это приводит к изменениям электрофизических параметров системы полупроводник — диэлектрик за счёт изменения встроенного в диэлектрике заряда и плотности поверхностных состояний на границе раздела полупроводник — диэлектрик.

6. Показано, что под действием проникающего излучения в пленках 8Ю2 происходит разрыв напряженных связей кремний — кислород с образованием пары электрон — дырка. При этом атомы кремния и кислорода перемещаются в равновесное положение, вследствие чего проявляются стабильные ловушечные центры, энергетические уровни которых расположены в запрещенной зоне.

7. Показано, что стойкость пленок А120з к воздействию радиации обусловлено захватом на ловушки не только дырок, но и электронов. Захват последних, с одной стороны, компенсирует заряд захваченных дырок, а с другой уменьшает ток через диэлектрик. Из-за наличия в А120з отрицательных ловушек при облучении, кроме положительного заряда вводится отрицательный заряд. При малых дозах облучения преобладает влияние положительного заряда. При насыщении положительных ловушек при дозах > 10б рад начинает влиять отрицательный заряд, скапливающийся в А1203. Чем тоньше окисел, тем сильнее влияние заряда в А1203 и тем большим оказывается изменение суммарного заряда в диэлектрике.

8. Разработан конструктивно-технологический вариант изготовления биполярных полупроводниковых структур с межкомпонентной изоляцией элементов диэлектриком с учетом воздействий излучений обеспечивающий повышение радиационной стойкости структур за счет снижения.

124 чувствительности параметров полупроводниковых приборов к воздействию проникающего излучения.

9. Разработана конструкция и технология формирования полупроводниковых интегральных структур методом самосовмещения обеспечивающего создание радиационно-стойких биполярных полупроводниковых структур за счет уменьшения площадей р-п-переходов, снижения величины накопленного заряда и времени рассасывания избыточных носителей.