7.8. Радиационные свойства многослойных структур

Приборные слои структур кремний на изоляторе", получаемые при газовом скалывании, отличаются от других составных струк­тур наличием радиационных дефектов, вызванных имплантацией ионов водорода [4–8]. Наряду с дефектами кристаллической ре­шетки исходной пластины и дефектами, возникающими при сра­щивании – деформациями приборного слоя на выемках и выпукло­стях реальной плоскости поверхности опорной пластины, радиаци­онные дефекты, образованные имплантированными ионами, могут вносить существенный вклад в общую плотность дислокаций в приборном слое на уровне 10² – 310⁴ см^-2. Тщательная подготовка и очистка пластин перед сращиванием позволяет существенно сни­зить плотность дислокаций до величин 1 – 10 см^-2. В настоящее время плотность дислокаций, выявляемых травителем "Секко", для методов, использующих имплантацию ионов кислорода (SIMOX), удалось снизить до 10³ – 10⁴ см^-2, в методе Smart-cut уровень дис­локаций менее 10², а в методе Eltran в диапазоне 1 – 310⁴ см^-2. Ше­роховатость внешней поверхности приборного слоя после отслое­ния от приборной пластины первоначально достигает величины 20 – 40 нм. Поэтому первые разработчики технологии газового скалывания предусматривали легкую химико-механическую поли­ровку внешней поверхности приборного слоя, в результате которой шероховатость доводили до необходимой. Уменьшить шерохова­тость можно также прецизионным полирующим травлением, окис­лением или термообработкой в водороде. В настоящее время мик­рошероховатость R_a поверхности кремния в структурах КНИ сни­жена до величин 0,4 – 0,08 нм (измеренной на площади 1х1 мкм).

Неоднородность толщины приборного слоя определяется в ос­новном нестабильностью и неоднородностью энергии импланти­руемых ионов водорода и изменением угла их падения на поверх­ность приборной пластины при воздействии пучком. Современные имплантеры позволяют изготавливать структуры с неоднородно­стью толщины приборного слоя 2 – 5 %. Параметры изолирующего диэлектрического слоя таковы: толщина  0,1 – 0,5 мкм; неодно­родность толщины  10%; электрическая прочность  5 МВ/см. В свою очередь, плотность распределения заряда в диэлектрике оп­ределяется несколькими типами "дефектов" структуры [1,4]: – Е_-^‘ и ЕР-центры, возникающие при инжекции дырок в диэлектрик; считается, что Е_^’-центр является структурой О₃Si, к которой при­соединен неспаренный электрон; природа ЕР-центра не ясна; пола­гают, что за него ответственна свободная связь атома Si в вакансии кислорода. Общая плотность распределения обоих типов дефектов составляет около 510¹² см^-2; эти центры захватывают инжектируе­мые в диэлектрик дырки и образуют объемный положительный за­ряд; дефекты такого рода характерны для термического оксида; центры Е^’, имеющие структуру HO₂Si^, образовавшиеся в резуль­тате захвата атомов водорода кислородными вакансиями; эти цен­тры доминируют в составных структурах КНИ; центры, аналогич­ные центрам Е^’, МеО₂Si^, образовались в результате захвата ще­лочного металла Ме, попадающего в структуру как загрязнение.

Поскольку толщину приборного слоя можно делать практически сколь угодно малой, например 30 – 50 нм, соответственно можно уменьшать и размеры полупроводниковых ИС. Уменьшение объ­ёма активных и пассивных элементов приводит к соответствую­щему увеличению радиационной стойкости ИС. Например, удается более чем в 10 раз повысить радиационную стойкость по импульсу интегральных схем на основе составных структур "кремний на изо­ляторе" по сравнению с интегральными схемами на основе объем­ного кремния.

Изучены радиационные дефекты в субмикронных интегральных КМОП-транзисторах на структурах на структурах КНИ. Структура КНИ, включая затвор МОП транзистора, под облучением подвер­жена накоплению заряда в переходных и диэлектрических слоях. Наличие "захороненного оксида" выгодно отличает эти структуры тем, что появляется дополнительная возможность влияния на рас­пределение потенциалов в области канала транзистора путем при­ложения электрического поля к подложке. Наилучший, с точки зрения зарядовой стойкости, результат получен при отрицательном смещении на подложке в момент облучения. При нулевом потен­циале на подложке тестового транзистора, в момент облучения, ре­гистрируется ощутимый сдвиг порогового напряжения. Однако, приложение отрицательного смещения к подложке после облуче­ния обратимо уменьшает величину сдвига порогового напряжения. Таким образом, наличие тонкого "захороненного" диэлектриче­ского слоя позволяет уменьшить влияние накопленного заряда на сдвиг порогового напряжения транзистора путем приложения элек­трического смещения к подложке [9].

В [10] приведена оценка уровней стойкости ПЗУ ИС емкостью 2 Мбит, изготовленных на структурах КНИ, к воздействию им­пульсного и стационарного ионизирующего излучения. Использо­вались лазерный имитатор "Радон-5М", рентгеновский имитатор "РЕИС-ИМ". В результате испытаний установлено, что вплоть до уровня 2,5·10³ ед сохраняется полная работоспособность ПЗУ. На уровне 5·10³ ед ПЗУ перестает работать в динамическом режиме, а на уровне 5·10⁴ ед наблюдается полный функциональный отказ, со­провождающийся резким ростом токов потребления.

Изучено влияние масштабирования на стойкость структур КНИ к импульсному ионизирующему излучению. Наличие диэлектриче­ской изоляции исключает возможность возникновения эффекта за­щелкивания, а относительно малый объем собирания носителей, ограниченный толщиной приборного слоя, приводит к существен­ному снижению величин ионизационных токов. По мере роста сте­пени интеграции и уменьшения размеров элементов возрастает вклад ионизационной проводимости диэлектрика в общую иониза­ционную реакцию элемента [11].

На основании экспериментов можно сделать следующие вы­воды:

- наиболее перспективной элементной базой создания ИС, стой­ких к внешним возмущающим факторам являются структуры КНИ;

- структуры "кремний на изоляторе" с толстым приборным слоем целесообразно формировать сращиванием кремниевых пла­стин с последующим утончением части приборной пластины. В этом случае рационально использовать методы химико-механиче­ской полировки, химико-динамической полировки, электрохимиче­ского, плазмохимического травления, а также комбинации этих ме­тодов;

- наиболее перспективным методом создания структур "кремний на изоляторе" с тонким приборным слоем (менее 1 мкм) является отслоение приборного слоя от структуры, полученной сращива­нием подложек.