Влияние полевых оксидов на радиационную стойкость ИС

Несмотря на то, что общая тенденция развития технологии изготовления ИС в сторону уменьшения толщины подзатворного оксида способствует повышению радиационной стойкости, полевые оксиды передовых коммерческих технологий по-прежнему остаются достаточно толстыми и могут быть очень чувствительными к воздействию ионизирующего излучения. При воздействии относительно малых доз ионизирующего излучения (~10 крад(Si) для многих коммерческих приборов) в полевом оксиде может накапливаться заряд, достаточный для возникновения отказа ИС, индуцированного полевым оксидом. По существу, радиационно-индуцированное накопление заряда в полевом оксиде является главной причиной отказов ИС передовых коммерческих технологий.

Полевые оксиды намного толще, чем подзатворные. Типичные значения толщины полевых оксидов лежат в диапазоне от 100 до 1000 нм. В отличие от подзатворных оксидов, которые, как заведено, выращиваются путем термического окисления, полевые оксиды создаются с использованием широкого ряда методов осаждения. Следовательно, свойства, определяющие захват заряда, будут менее контролируемы и могут существенно отличаться от случая подзатворных оксидов. Даже в случае термически выращенных толстых оксидов накопление заряда в подзатворном и полевом оксидах может качественно отличаться [66, 67]. В частности, в экспериментах с конденсаторами, изготовленными на основе толстого SiO₂ (более 100 нм), в которых исследовалось накопление ПС в течение 4 мс после воздействия импульса ИИ [66], было обнаружено, что накопление не зависит от величины и полярности поля в оксиде и протекает приблизительно с одинаковой эффективностью при комнатной температуре и при 77 К. Это предполагает, что некоторое количество «мгновенных» ПС создается напрямую радиацией. Это противоположность тому, что наблюдается в случае тонких подзатворных оксидов, где обычно имеет место малое число мгновенных ПС или они вообще отсутствуют. Кроме того, в аналогичных образцах наблюдался существенный захват дырок в объеме оксида [66, 67].

Сегодня используется два основных типа изоляции полевым оксидом — это локальное окисление кремния (LOCOS) и изоляция с использованием поверхностных канавок (STI — shallow-trench isolation). Изоляция LOCOS используется на протяжении многих лет. Не так давно производители ИС заменили в передовых субмикронных технологиях изоляцию LOCOS на STI. На рис. 3.41 [13] изображено поперечное сечение n -канального транзистора с изоляцией LOCOS и STI. Здесь иллюстрируется накопление положительного заряда в области «птичьего клюва» структур с изоляцией LOCOS и аналогичное накопление заряда в структурах с STI-изоляцией. Радиационно-индуцированный положительный заряд, накапливаясь в полевом оксиде, расположенном над поверхностью р -типа, может инвертировать эту поверхность, образуя под полевым оксидом область n -типа. При инверсии поверхности могут образоваться проводящие каналы, что значительно повысит ток утечки. На рис. 3.42 изображены два возможных канала утечки для STI-технологии [13]. Один из путей утечки лежит на краю подзатворного оксида между истоком и стоком. Другой канал утечки может появиться между n -областями стока и истока транзистора и n -карманом смежного р -канального транзистора. Эти два канала утечки приводят к росту статического тока потребления ИС. Так как в полевых оксидах при облучении накапливается преимущественно положительный заряд, то обычно его влияние наиболее важно для n -канальных транзисторов.

а

б

Рис. 3.41. Поперечный разрез транзисторов с изоляцией LOCOS (а) и STI (б) [13]

Рис. 3.42. Два возможных канала утечки (обозначены стрелками), характерных для
STI-технологи [13] (для изоляции LOCOS характерно возникновение аналогичных каналов утечки)

На основе полевого оксида образуется паразитный транзистор, который включен параллельно с транзистором на подзатворном оксиде. Например, на краю транзистора с подзатворным оксидом слой затворного поликремния заходит на область полевого оксида, как показано на рис. 3.41. Паразитный транзистор на полевом оксиде состоит из затворного поликремния, части полевого оксида, а также стока и истока транзистора на подзатворном оксиде. На рис. 3.43 [68] показано влияние избыточного тока утечки паразитного транзистора на полевом оксиде на характеристики транзистора на подзатворном оксиде. Здесь изображены зависимости тока утечки сток-исток от напряжения затвор-исток для n -канальных транзисторов на подзатворном оксиде с учетом (объединенная кривая) и без учета утечек, обусловленных полевым оксидом, а также эти же зависимости для транзистора на полевом оксиде. Из-за большой толщины полевого оксида исходное значение (до облучения) порогового напряжения паразитного транзистора относительно высокое, но в результате накопления в полевом оксиде положительного радиационно-индуцированного заряда может получиться большой отрицательный сдвиг порогового напряжения этого паразитного транзистора. Если сдвиг порогового напряжения паразитного транзистора достаточно велик (как показано на рис. 3.43), то начинает протекать ток утечки в выключенном («OFF») состоянии, что значительно
увеличивает ток в цепи сток-исток транзистора на подзатворном диэлектрике. Таким образом, ток утечки, обусловленный полевым оксидом, не позволяет полностью выключить транзистор на подзатворном диэлектрике. Это существенно повышает статический ток потребления ИС.

Рис. 3.43. ВАХ транзисторов на подзатворном и полевом оксидах, показывающие увеличение тока утечки МОП-транзистора, вызванное паразитным транзистором на полевом оксиде

Для повышения радиационной стойкости полевых оксидов можно использовать различные методы. Увеличение уровня легирования в области лежащей под птичьим клювом LOCOS-изоляции или вдоль боковой стенки STI приведет к росту исходного значения
порогового напряжения паразитного транзистора на полевом оксиде и росту величины радиационно-индуцированного заряда, требуемого для инвертирования лежащей ниже поверхности р -типа. Для повышения радиационной стойкости STI ИС успешно применяется увеличение толщины диэлектрика вокруг угла канавки, а также использование n ⁺-охранных областей [68].