СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПОРОГОВОГО НАПРЯЖЕНИЯ МДП-ПРИБОРА ПОСЛЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМА ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПОРОГОВОГО НАПРЯЖЕНИЯ МДП-ПРИБОРА ПОСЛЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК H01L21/26 

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано для восстановления и определения параметров режимов восстановления пороговых напряжений приборов на основе структур полевой электрод (М)-диэлектрик(Д)-полупроводник(П), с диэлектриком типа Si₃N₄-SiO₂(HO), например приборов с зарядовой связью (ПЗС), полевых транзисторов, варикапов и других после воздействия на них ионизирующего излучения.

Известен способ восстановления порогового напряжения МДП-прибора после воздействия ионизирующего излучения путем облучения прибора УФ-излучением, вызывающим фотоинжекцию электронов в диэлектрик из контактов [1].

Параметры режима восстановления, а именно длительность УФ-облучения при фиксированных интенсивности и спектральном составе, предварительно определяют на тестовых МДП-приборах варьируя длительность УФ-облучения.

Основными недостатками способа восстановления порогового напряжения УФ-облучением являются необходимость использования полупрозрачных и ультрафиолетовой области спектра электродов и мощных ламп для УФ-облучения, относительно длительная процедура восстановления.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемым способам являются способ восстановления и способ определения параметров режима восстановления напряжения плоских зон (V_FB) МОП-прибора (M-SiO₂-Si) после воздействия ионизирующего излучения путем воздействия на основной и тестовые приборы электрических напряжений [2].

Эти способы могут быть использованы и для других типов МДП-приборов, например со структурой МНОП. Поскольку изменение напряжения плоских зон (ΔV_FB) МДП-прибора для ряда приборов (например ПЗС) равно изменению порогового напряжения, а для ряда приборов (например, полевых транзисторов) дает основной вклад в него, этот способ может быть использован и для восстановления пороговых напряжений различных типов МДП-приборов.

Восстановление порогового напряжения МДП-прибора после воздействия ионизирующего излучения в рассматриваемом способе осуществляют путем подачи в течение определенного предварительно времени τ_B на полевой электрод положительного относительно полупроводника напряжения V_в в виде периодической последовательности импульсов.

Величину напряжения в течение τ_B изменяют таким образом, чтобы средний полный ток, протекающий через МДП-прибор, оставался постоянным и равным предварительно определенной величине I_ин.в. Величины τ_B и V_вдолжны обеспечивать восстановление порогового напряжения с погрешностью, не превышающей допустимую.

Для определения параметров режима восстановления, используемого в этом способе, формируют тестовые МДП-приборы, измеряют исходное пороговое напряжение V_п.о. облучают тестовые приборы ионизирующим излучением, подают на полевой электрод облученного тестового прибора периодическую последовательность положительных относительно полупроводника импульсов напряжения, путем изменения величины напряжения стабилизируют средний по времени полный ток I_ин, протекающий через МДП-прибор, периодически прекращают подачу импульсного напряжения и измеряют пороговое напряжение V_п1 прибора. Проводя такие измерения на различных тестовых приборах, варьируя при этом I_ин и продолжительность приложения напряжения, определяют оптимальные параметры режима восстановления, при которых достигается минимальная величина
|ΔV_п| = |V_п1 - V_п0|.

В зависимости от устройства, используемого для восстановления порогового напряжения основного прибора, такими параметрами могут быть либо величины I_ин.в и τ_B либо τ_B и зависимость прикладываемого напряжения от времени в течение τ_B обозначенная выше V_в.

Основным недостатком этих способов является сложность режима восстановления порогового напряжения МДП-прибора после воздействия ионизирующего излучения, обусловленная необходимостью в процессе восстановления изменить напряжение в течение τ_B по найденному опытным путем и обычно сложному закону. Следствием этого недостатка является обычно относительно длительная процедура восстановления и сложные устройства для осуществления способа.

Целью изобретения является упрощение режима восстановления порогового напряжения МДП-прибора после воздействия ионизирующего излучения.

Достигается это тем, что полевой электрод МДП-прибора подают положительное относительно полупроводника импульсное напряжение с определенными предварительно из условия обеспечения восстановления порогового напряжения погрешностью, не превышающей допустимую, длительностью подачи τ_B и величиной напряжения V_в.

Новое заключается в подаче постоянной в течение τ_B величины V_в.

Другое отличие способа восстановления состоит в том, что при восстановлении порогового напряжения МДП-прибора с p-типом проводимости полупроводника полупроводник со стороны диэлектрика одновременно освещают светом с теми же спектральным составом и интенсивностью, которые использовались при определении τ_B и V_в.

Поставленная цель в способе определения параметров режима восстановления порогового напряжения МДП-прибора после воздействия ионизирующего излучения достигается тем, что формируют тестовые МДП-приборы, измеряют исходное пороговое напряжение V_по, облучают тестовые МДП-приборы ионизирующим излучением, подают на полевой электрод облученного тестового прибора положительное относительно полупроводника напряжение V, измеряют пороговое напряжение V_п1 тестового прибора после облучения и воздействия в течение времени τ напряжения V и определяют, при необходимости варьируя на различных тестовых приборах величины τ и V, параметры режима восстановления τ_B и V_в.

Новым является то, что тестовые ИДП-приборы разделяют на две группы, облучение ионизирующим излучением проводят для одной группы в условиях, обеспечивающих максимальное, а для другой группы - минимальное изменение порогового напряжения, которые могут возникнуть в результате воздействия ионизирующего излучения в условиях эксплуатации основного прибора, подают на тестовые МДП-приборы из каждой группы постоянную в течение τ величину V и находят искомые параметры τ = τ_B и V = V_врежима восстановления, такие что после подачи напряжения с этими параметрами на тестовые приборы из каждой группы величины Δ V_v = V_п1-V_п0 лежат в диапазоне ΔV_пmin≅ΔV_п≅V_пmax, где ΔV_пmin и ΔV_пmax соответственно минимальная и максимальная допустимая для нормального функционирования величина ΔV_п.

Частным случаем облучения тестовых МДП-приборов в условиях, обеспечивающих максимальное изменение порогового напряжения, является облучение естественным радиационным фоном, которое обычно не приводит к заметным изменениям пороговых напряжений.

Другое отличие способа определения параметров режима восстановления порогового напряжения МДП-прибора состоит в том, что при определении параметров режима восстановления порогового напряжения прибора с p-типом проводимости полупроводника, полупроводника, облученных ионизирующих излучением тестовых МДП-приборов со стороны диэлектриков, освещают светом с постоянными спектральным составом и интенсивностью, с энергией квантов из области собственного поглощения в полупроводнике.

В основе предлагаемого способа восстановления порогового напряжения МДП-прибора после воздействия ионизирующего излучения лежит установленный авторами факт, что для широкого диапазона изменений пороговых напряжений в результате воздействия на МДП-прибор со структурой МНОП ионизирующего излучения можно подобрать такие параметры τ_B и соответствующий каждому τ_B диапазон постоянных напряжений, что каждое напряжение из этого диапазона восстанавливает пороговое напряжение МДП-прибора в течение τ_B с погрешностью не хуже, чем в несколько десятых долей вольта, независимо от величины изменения порогового напряжения. Авторами также впервые найден способ определения указанных параметров τ_B и V_в.

Восстановление порогового напряжения в предлагаемом способе достигается за счет туннельной инжекции электронов из полупроводника, захвата их на ловушки в диэлектрике и компенсации тем самым эффективно положительного заряда в диэлектрике, образовавшегося в результате действия ионизирующего излучения.

При приложении к полевому электроду МДП-прибора в отсутствии освещения полупроводника импульса положительного напряжения относительно полупроводника p-типа в последнем образуется область обеднения основными носителями заряда. Чтобы избежать существенного влияния краевых эффектов, в этом случае влияния изменения в результате ионизирующего облучения темпа генерации неосновных носителей в области обеднения и достичь таким образом минимальных погрешностей восстановления пороговых напряжений, в предлагаемых способах используется освещение полупроводников излучением, с энергией квантов из области собственного поглощения в них.

На чертеже изображен вид типичных, измеренных на тестовых МНОП-приборах при найденном в соответствии с предлагаемым способом значении τ_B , зависимостей ΔV_п для облученных фоновой радиацией (доза облучения D_обл. ≈ 0/ (1) и специально облученных γ-излучением (2) приборов от величины постоянного напряжения, прикладывающегося к приборам в течение τ_B . Поясняется принцип определения диапазона напряжений (от V_в1 до V_в2), которые удовлетворяют предлагаемому способу восстановления порогового напряжения МДП-прибора.

На чертеже величины V_в1 и V_в2 имеют порядок десятков вольт, а величины (V_в2-V_в1) и ( ΔV_пmax - ΔV_пmin) - десятых долей вольт. При промежуточных величинах изменения порогового напряжения в результате ионизирующего облучения значения Δ V_п(V) располагаются либо между кривыми 1 и 2, либо практически на одной из кривых.

Способы могут быть реализованы, например, на МДП-приборах со структурой M-Si₃N₄-SiO₂-Si (МНОП). Кроме того, возможна реализация предлагаемых способов и на других типах МДП-приборов, если в результате ионизирующего облучения в диэлектрике формируется эффективно положительный заряд, а при туннельной инжекции электронов из полупроводника - эффективно отрицательный.

Предлагаемый способ восстановления порогового напряжения МДП-прибора после воздействия ионизирующего излучения может быть реализован путем подачи на полевой электрод одиночного положительного относительно полупроводника импульса напряжения прямоугольной формы, амплитуда (V_в) и длительность (τ_B) которого были предварительно определены в соответствии с предлагаемым способом определения параметров режима восстановления порогового напряжения. В случае полупроводника p-типа его одновременно освещают со стороны диэлектрика через полупрозрачный, например, поликремниевый полевой электрод светом, например, лампы накаливания с электрической мощностью порядка единиц ватт, с теми же интенсивностями и спектральным составом, которые использовались при определении параметров режима восстановления порогового напряжения.

Способ определения параметров режима восстановления порогового напряжения МДП-прибора после воздействия ионизирующего излучения может быть осуществлен, например, следующим образом. Тестовые МДП-приборы формируют с идентичными (за исключением, возможно, площади полевого электрода) по отношению к основному прибору диэлектриками, полевыми электродами и границами раздела М-Д и Д-П. Обычно это достигается путем изготовления основного и текстовых приборов в едином технологическом цикле. Измеряют исходное пороговое напряжение V_по. Pазделяют тестовые приборы на две группы. Облучают ионизирующим излучением тестовые приборы из одной группы в условиях, обеспечивающих максимальное, а другую группу - минимальное изменение порогового напряжения, которые могут возникнуть в процессе эксплуатации прибора.

Известно, что часто пороговое напряжение МНОП прибора монотонно изменяется в зависимости от дозы ионизирующего излучения. В этих случаях группы тестовых приборов облучают ионизирующим излучением с максимальной и минимальной возможными при эксплуатации прибора дозами.

После облучения, на тестовых приборах из каждой группы, прикладывая к полевым электродам одиночные положительные импульсы напряжения прямоугольной формы с фиксированной длительностью τ, измеряют зависимости ΔV_п от амплитуды импульсов V. Варьируют, если необходимо,τ и из полученных зависимостей находят искомые параметры режима восстановления τ=τ_B и V = V_в, такие, что при приложении напряжения с этими параметрами к тестовым МДП-приборам из каждой группы величины Δ V_плежат в диапазоне
ΔV_пmin ≅ ΔV_п ≅ ΔV_пmax.

Туннельная инжекция электронов из Si в SiO₂, как известно, начинает проявляться обычно при электрических полях Е > 6˙10⁶ В/см. На основании этого для построения зависимостей ΔV_п(V) в случае МНОП-приборов измерения в сторону увеличения V целесообразно начинать с V ≈ 10⁶ (L_ок+ L_н), В, где L_ок и L_н, выраженные в см толщины, соответственно, SiO₂ и Si₃N₄, а E_ок и E_н - низкочастотные диэлектрические проницаемости, соответственно SiO₂ и Si₃N₄. Первоначально изменение V удобно производить с шагом 3-5 В, а после выхода на участок изменения ΔV_п (см. фиг. 1) уменьшить шаг до 0,3-0,5В.

В случае полупроводника p-типа при проведении измерений зависимостей ΔV_п = =f (V) полупроводники освещают через полупрозрачные полевые электроды светом, например, лампы накаливания с электрической мощностью порядка единиц ватт.

Обычно описанным способом при фиксированной τ_B можно подобрать не одно, а некоторый диапазон напряжений от V_в1 до V_в2, которые удовлетворяют предлагаемому способу.

Минимальные погрешности восстановления пороговых напряжений и максимальные величины (V_в1 - V_в2) на МНОП-приборах при L_ок ≈ 10 нм и L_н = 100 нм были достигнуты в случае 0,03 с ≅τ_B≅0,1 с. При уменьшении τ_B величины V_в возрастают. С увеличением V_ввозрастает вероятность необратимого пробоя "слабых" мест диэлектрика. При увеличении τ_B за пределы указанного диапазона, в результате расхождения по оси V зависимостей ΔV_п (V) для МДП-приборов из первой и второй групп, достижимые при одних и тех же V_в и τ_B погрешности восстановления порогового напряжения приборов из каждой группы возрастают.

Для нахождения τ_B при других существенно отличных технологиях МДП-приборов рекомендуется начинать с τ ≈ 0,01 с и затем увеличивать в 3-5 раз после каждого измерения зависимостей ΔV_п(V) МДП-приборов из каждой группы.

В таблице представлены экспериментальные данные, иллюстрирующие возможности изобретения.

Проводят восстановление пороговых напряжений МНОП-приборов аналогичных элементарным МНОП-структурам ПЗС. За пороговое напряжение принято V_FB, МНОП-приборы имеют структуру Si^*-Si₃N₄ (L ≈100 нм) - SiO₂(L = 10 нм) - Si, где Si^* - сильнолегированный поликремний, L - толщина слоя диэлектрика. Полупроводники p-типа одновременно с подачей V_восвещают через полупрозрачные Si^*-электроды светом лампы накаливания ( ≈1,5 Вт электрической мощности). Параметры τ_B и V_в выбирают в соответствии с предлагаемым способом для |ΔV_пmin = V_пmax|= 0,2 В.

В отсутствии освещения пороговые напряжения МНОП-приборов с p-типом полупроводника при различных D_обл. и одних и тех же τ_B и V_ввосстановить с погрешностью ≅ 0,2 В не удается. С учетом того, что для исследованных МНОП-приборов пороговое напряжение после ионизирующего облучения изменяется монотонно, в зависимости от D_обл., данные таблицы показывают, что при использовании предлагаемого способа пороговое напряжение МНОП-прибора может быть восстановлено с погрешностью не хуже, чем в несколько десятков долей вольта при одних и тех же τ_B и V_в, независимо от D_обл. в широком диапазоне D_обл.

Эффективность предлагаемого способа по сравнению с известным заключается в том, что в предлагаемом способе не требуется изменять в процессе восстановления порогового напряжения после воздействия ионизирующего излучения напряжение на МДП-приборе по предварительно найденному опытным путем закону: оно в процессе восстановления порогового напряжения остается постоянным. Это значительно упрощает режим восстановления и соответственно устройства, осуществляющего способ.

Последнее обстоятельство является весьма важным, поскольку для большинства эффективных применений устройства, осуществляющей способ восстановления порогового напряжения МДП-прибора после воздействия ионизирующего излучения, должны быть радиально стойкими, так как могут находиться в тех же условиях эксплуатации, что и МДП-прибор. Указанное требование тем легче реализовать на практике, чем проще устройство.

Поскольку в известном способе определение параметров режима восстановления порогового напряжения МДП-прибора после воздейcтвия ионизирующего излучения требуется определенное время для установления стабилизированной величины I_ин, то при восстановлении с малой погрешностью порогового напряжения по известному способу обычно времена восстановления τ_B на несколько порядков больше, чем в предлагаемом способе. Известно, что в предлагаемом способе требуется минимальное время для восстановления порогового напряжения и по сравнению с другими способами не менее чем несколько десятков секунд в известных и порядка сотых долей секунды в предлагаемом.

Кроме того, поскольку для восстановления порогового напряжения в известном способе используется лавинная инжекция электронов из полупроводника в диэлектрик, для осуществления которой необходим p-тип полупроводника и относительно узкий диапазон концентраций легирующей примеси в полупроводнике, предлагаемое изобретение позволяет расширить функциональные возможности способа, а именно проводить восстановление пороговых напряжений МДП-приборов с широким диапазоном концентраций легирующей примеси и с различным типом проводимости в полупроводнике.

Применение: изобретение относится к электронной технике и может быть использовано для восстановления пороговых напряжений приборов на основе МДП-структур. Сущность: способ заключается в подаче на полевой электрод прибора в течение определенного времени (τ_в) положительного относительно полупроводника величины напряжения (V_в) . Величины (τ_в) и (V_в) должны быть предварительно определены по предлагаемому способу. В процессе восстановления порогового напряжения МДП-прибора с p-типом полупроводника последний со стороны диэлектрика освещают светом с теми же спектральным составом и интенсивностью, которые использовались для определения (τ_в) и (V_в) . Определение параметров (τ_в) и (V_в) производится на тестовых приборах. Тестовые приборы разделяют на две группы, одну из них облучают в условиях, обеспечивающих максимальное, а другую - минимальное изменение порогового напряжения. Определяют искомые параметры путем варьирования на различных тестовых приборах времени воздействия напряжения и величины напряжения. 2 п. ф-лы., 1 ил.

1. Способ восстановления порогового напряжения МДП-прибора после воздействия ионизирующего излучения, включающий подачу на полевой электрод положительного относительно полупроводника импульсного напряжения с определенными предварительно из условия обеспечения восстановления порогового напряжения погрешностью, не превышающей допустимую, длительностью подачи τ_В и величиной напряжений U_В, отличающийся тем, что, с целью упрощения режима восстановления, на полевой электрод подают постоянную в течение времени τ_B величину напряжения U_В. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью восстановления порогового напряжения прибора с p-типом проводимости полупроводника, полупроводник одновременно с подачей напряжения U_В освещают со стороны диэлектрика светом с теми же спектральным составом и интенсивностью, которые использовались при предварительном определении параметров режима восстановления. 3. Способ определения параметров режима восстановления порогового напряжения МДП-прибора после воздействия ионизирующего излучения, включающий изготовление тестовых МДП-приборов, измерение исходного порогового напряжения U_пo , облучение тестовых МДП-приборов ионизирующим излучением, подачу на полевой электрод облученного тестового прибора положительного относительно полупроводника напряжения, измерение порогового напряжения U_п1 тестового прибора после облучения и воздействия в течение времени τ напряжения U и определение при необходимости путем варьирования времени воздействия и величины напряжения на различных тестовых приборах параметров режима восстановления τ_B и U_B , отличающийся тем, что, с целью упрощения режима восстановления, тестовые МДП-приборы разделяют на две группы, облучение ионизирующим излучением проводят для одной группы в условиях, обеспечивающих максимальное, а для другой группы - минимальное изменение порогового напряжения, которые могут возникнуть в результате воздействия ионизирующего излучения в условиях эксплуатации основного прибора, подают на тестовые МДП-приборы из каждой группы постоянную в течение времени τ величину U и находят искомые параметры τ = τ_B и U = U_B режима восстановления, такие, что после подачи напряжения с этими параметрами на тестовые приборы из каждой группы величины ΔU_п=U_п1-U_п0 лежат в диапазоне ΔU_пmin≅ ΔU_п ≅ Δ U_пmax , где Δ U_пmin и Δ U_пmax - соответственно минимальная и максимальная допустимая для нормативного функционирования прибора величина Δ U_п . 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что, с целью обеспечения восстановления порогового напряжения прибора с p-типом проводимости полупроводника, полупроводники облученных ионизирующим излучением тестовых МДП-приборов одновременно с подачей напряжения U освещают со стороны диэлектриков светом с постоянными спектральным составом и интенсивностью, с энергией квантов из области собственного поглощения в полупроводнике.