BG66556B1

BG66556B1 - Метал-изолатор-силиций структури за детектори на йонизиращи лъчения, съдържащи силициеви нанокристали и метод за производството им

Info

Publication number: BG66556B1
Application number: BG111032A
Authority: BG
Inventors: Бенджамин САЛАС; Дианка НЕШЕВА-СЛАВОВА; Емил Манолов; Кирил Крежов; Марио КУРИЕЛ-АЛВАРЕС; Никола НЕДЕВ; Румен НЕДЕВ
Original assignee: Институт По Физика На Твърдото Тяло "Академик Георги Наджаков"-Бан
Priority date: 2011-09-15
Filing date: 2011-09-15
Publication date: 2016-11-30
Also published as: BG111032A

Abstract

Изобретението се отнася до метал-изолатор-силиций (МИС) структури, съдържащи силициеви нанокристали, и метод за производството им и по-специално до структури от типа Al/c-Si/SiO2/Si-SiO2/SiO2/Al, в които слоят от Si-SiO2 съдържа кристални наночастици. Структурите намират приложение в дозиметрията като алтернатива на сега използваните радиационни сензори, базирани на метал-изолатор-силиций структури, в които диелектрикът е от SiО2. Методът за изготвяне на метал-изолатор-силиций структури от типа Аl/с-Si/SiО2/Si-SiO2/SiО2/Al включва последователно отлагане на слоеве от силициев диоксид, силициев субоксид и силициев диоксид върху кристална подложка от p(n)-Si (100) със съпротивление 1.0(4-6) ом.см при стайна температура, като трислойната структура се подлага на термична обработка при 1000°С, след което при стайна температура се нанасят алуминиеви контакти на задната страна на подложката и върху силициевия диоксид. МИС структурите се състоят от кристална силициева подложка (1) и последователно разположени един върху друг слой от термичен SiО2 (2), слой от SiO2, който съдържа силициеви нанокристали (3), и слой от високочестотно разпрашен SiO2 (4). Структурите са снабдени с алуминиеви контакти (5), нанесени върху задната повърхност на подложката (1) и слой (4). Преди облъчване с йонизиращо лъчение МИС структурите се зареждат с електричен импулс с амплитуда 10 волта и продължителност 5 s и в нанокристалите се залавя електричен заряд, който се съхранява изключително ефективно и се освобождава в зависимост от дозата на облъчването. Предимства на Al/c-Si/SiО2/(Si-SiO2)/SiO2/Al структурите, получени по предлагания метод, са използването на комбинация от стандартно термично израстване на SiO2 и вакуумни техники за изготвянето им, които са широко разпространени, не изискват употреба на токсични или взривоопасни газове и са съвместими със съвременната микроелектроника; не се изисква йонна имплантация за осигуряване на свръхстехиометричен силиций в оксидния слой, с което се намалява енергоемкостта при производството на структурите; наличието на утечка на заряда от една или няколко наночастици не води до съществена загуба на предварително съхранения заряд и не влошава експлоатационните параметри на структурата. Предимство при направата на детектори с тези структури е, че не се изисква изготвяне на полеви транзистори с плаващ гейт. 4 претенции, 4 фигури

Description

(54) МЕТАЛ-ИЗОЛАТОР-СИЛИЦИЙ СТРУКТУРИ ЗА ДЕТЕКТОРИ НА ЙОНИЗИРАЩИ ЛЪЧЕНИЯ, СЪДЪРЖАЩИ СИЛИЦИЕВИ НАНОКРИСТАЛИ И МЕТОД ЗА ПРОИЗВОДСТВОТО ИМ

Област на техниката

Изобретението се отнася до метал-изолатор-силиций (МИС) структури, съдържащи силициеви нанокристали и по-специално до структури от типа Al/c-Si/ SiO₂/Si-SiO₂/SiO₂/ Al, в които слоят от Si-SiO₂ съдържа кристални наночастици. Структурите намират приложение в дозиметрията като алтернатива на сега използваните радиационни сензори, базирани на метал-изолатор-силиций структури, в които диелектрикът е от SiO₂. Основна характеристика на тези структури е високата им чувствителност при малки дози на регистрираното лъчение, което е важно за приложението им в медицината, при дозиметричния контрол в ядрената индустрия и в космическите изследвания.

Предшестващо състояние на техниката

Известни са метал-силициев диоксид-силиций (МОС) структури и МОС транзистори на тяхна основа, които са подходящи за употреба като дозиметри на йонизиращо лъчение в медицината (при терапия на пациенти с йонизиращо лъчение), ядрената индустрия, космически и военни приложения. МОС базираните дозиметри имат висока пространствена разделителна способност и производството им е съвместимо със съществуващата силициева технология, използвана в микроелектронната индустрия. МОС транзисторите, използвани като дозиметри са от два основни типа: РАДФЕТ (от английски RADFET - RADIATION-SENSING FIELDEFFECTTRANSISTOR) [1-8] и МОС транзистор с плаващ гейт [9-15].

Радфетът обикновено е р-канален МОС транзистор, в който гейтовият SiO₂ е израснат при специфични условия и е със значителна дебелина, ~1 microm [3] и в този окис се залавят част от генерираните от йонизиращото лъчение токови носители. Интегралната доза се измерва като промяна в праговото напрежение на транзистора. При този тип дозиметри за постигане на добра чувствителност е необходимо прилагане на напрежение върху контролния гейт по време на облъчването. Промените, предизвикани от йонизиращото лъчение са стабилни с времето, захванатият на дълбоки уловки заряд практически не се променя, в резултат от което тези дозиметри са за еднократна употреба. Известен е и дозиметър на основата на комерсиален МОС транзистор [16], работещ без приложено напрежение по време на облъчването.

МОС дозиметрите с плаващ гейт имат няколко съществени предимства в сравнение с дозиметрите от типа РАДФЕТ, от които най-важните са: преди облъчване плаващият гейт се зарежда чрез инжекция на електрони от контролния гейт [9,11,13] или от силициевата подложка [17], което води до образуване на електрично поле в окиса и елиминира необходимостта от прилагане на външно напрежение по време на облъчването; промените в зарядовото състояние на плаващия гейт, резултат от облъчването с йонизиращо лъчение, са обратими, което позволява многократно използване на дозиметрите.

Известни са метал-силициев диоксид-силиций (МИС) структури, в които диелектрикът SiO,-Ge-SiO₂-SiO₂ е трислоен. Първият и третият слой от SiO₂ са отложени с високочестотно магнетронно разпрашване, а вторият слой с едновременно разпрашване на силициев диоксид и Ge и с отгряване при 900°С за 60 min в азотна среда в него са израснати нанокристали от Ge [18]. Внедряването на нанокристалите води до по-добра устойчивост на детектора при относително високи дози на йонизиращото гама-лъчение, но намалява чувствителността при малки дози на гама-лъчението.

Известен е и силиций върху изолатор (SOI - Silicon on Insulator) материал [19] c повишена устойчивост към йонизиращо лъчение, постигната чрез формиране на Si нанокристали в погребания оксид. Като изходен материал са използвани комерсиални S1MOX пластини с дебелина на силициевия слой ~50 nm и дебелина 370 nm на “погребания” SiO₂ [ 19]. Радиационната устойчивост на пластините е повишена чрез имплантиране в „погребания” оксид на силициеви йони с доза 1 х 10¹⁵ спг² и енергия 120 кеВ и последващо отгряване при 950°С за 120 min за формиране на Si нанокристали. Внедряването на нанокристалите е с цел контролирано създаване в оксида на дълбоки уловки за електрони, които да компенсират положителния заряд, възникващ в SiO₂ в резултат от облъчването с йонизиращо

66556 Bl лъчение. Повишената радиационна устойчивост се проявява в много по-малки промени в праговото напрежение на МОС транзистори, изработени върху тези пластини. 5

Не са известни детектори на йонизиращи лъчения на базата на МОС структури от типа Al/c-Si/SiO,/SiO /SiO,/Al (χ—1.15), в които диелектрикът е трислоен и в средния слой чрез отгряване при 1000°С са израснати силициеви ю нанокристали.

Техническа същност на изобретението

МИС структури OTTHnaAl/c-Si/SiO₂/Si-SiO₂/ SiO₂/Al се получават като върху кристална под- । 5 ложка от p(n)-Si (100) със съпротивление 1.0(4-6) ом.cm един върху друг се отлагат слоеве от силициев диоксид, силициев субоксид и силициев диоксид, структурата се подлага на термична обработка при 1000°С за израстване на Si на- 20 нокристали в матрица от SiO₂ (преобразуване на силициевия субоксид в Si-SiO₂ слой), след което се нанасят алуминиеви контакти на задната страна на подложката и върху третия слой от си- 25 лициев диоксид. Всички слоеве с изключение на първия силициев диоксид се отлагат при стайна температура на подложката. Първият слой от SiO₂ е термично израснат при температура 850°С и с дебелина в интервала 3-6 nm. Вторият слой, 30 от силициев субоксид, се отлага с термично изпарение на силициев монооксид във вакуум 1(У⁵тора. Дебелината му е 15 nm, а съставът му се контролира с промяна на скоростта на изпарение, $ която е в границите 0.2 - 6 nm/s. Най-горният (трети) слой от силициев диоксид се получава с високочестотно разпрашване и дебелината му, определена елипсометрично, е в границите 40-50 nm. Термичната обработка за израстване на силициеви нанокристали се прави в азот с 40 чистота 99.99% и е с продължителност 30 или 60 min. Като се отчете, че израснатите при отгряване нанокристали се разполагат на > 3 nm от долната повърхност на слоя от SiO_x [20-22] дебелината на SiO₂ слоя между c-Si подложка и нанокристалите е > 7 nm. Алуминиевите контакти се нанасят с термично изпарение във вакуум 5х 10'⁵ тора и са с дебелина 1.0 microm.

Напрежението на плоски зони се определя от измерените високочестотни волт-капацитивни характеристики. Измерителният сигнал е с 50 честота 1 МХц и амплитуда 25 миливолта, а по стоянното напрежение е варирано в границите ± 15 волта. Заключение за наличието на силициеви нанокристали в термично третираните структури се прави въз основа на резултати от високоразделителна електронна микроскопия [20-22].

МИС структурите включват (фиг. 1) кристална силициева подложка 1 и последователно разположени един върху друг слой от термичен SiO₂ 2, слой от SiO₂, който съдържа силициеви нанокристали 3 и слой от високочестотно разпратен SiO₂ 4. Структурата е снабдена с алуминиеви контакти 5, нанесени върху задната повърхност на подложката 1 и слой 4.

Преди облъчване с йонизиращо лъчение МИС структурите се зареждат с електричен импулс с амплитуда 10 волта и продължителност 5 s и в нанокристалите се залавя електричен заряд. В така изготвените структури се наблюдава изключително ефективно съхранение на заловения заряд, което се дължи на наличието на нанокристали. При напрежение на плоски зони 0.44 волта не се наблюдава разреждане на структурата за 68 h, а при напрежение на плоски зони 0.83 волта 97% от зарядовите носители се съхраняват в диелектрика в рамките на четири денонощия. При облъчване на структурата с йонизиращо лъчение генерирането на двойки електрон-дупка води до компенсиране на заловения в нанокристалите заряд, промяна в напрежението на плоски зони на МИС структурите, като при дози до 100 Грей промяната е пропорционална на погълнатата доза.

Предимства на Al/c-Si/SiO₂/Si-SiO₂)/SiO₂/AI структурите, получени по предлагания метод, са използването на комбинация от стандартно термично израстване на SiO₂ и вакуумни техники за изготвянето им, които са широко разпространени, не изискват употреба на токсични или взривоопасни газове и са напълно съвместими със съвременната микроелектроника; не се изисква йонна имплантация за осигуряване на свръхстехиометричен силиций в оксидния слой, с което се намалява енергоемкостта при производството на структурите; наличието на утечка на заряда от една или няколко наночастици от единия или другия вид не води до съществена загуба на предварително съхранения заряд и не влошава експлоатационните параметри на структурата. Допълнително предимство при направата на детектори с тези структури е, че не се изисква

66556 Bl изготвяне на полеви транзистори с плаващ гейт.

Пояснение на приложените фигури

Фигура 1. Схематично напречно сечение на предлаганите Al/c-Si/SiO₂/Si-SiO₂/SiO₂/Al МИС 5 структури: 1 - c-Si подложка, 2 - термично израснат SiO₂, 3 - слой от силициев субоксид, в който след термично третиране при 1000°С са израснати Si нанокристали в матрица от SiO₂, 4 - слой от разпратен SiO₂, 5 - изпарени алуми- ¹ θ ниеви контакти.

Фигура 2. Волт-капацитивни характеристики при 1 мегахерц, измерени на МИС структура, съдържаща силициеви нанокристали след при- ] $ лагане на 6 последователни електрични импулса с амплитуда +10 волта и продължителност 5 s.

Фигура 3. Характеристики на задържане на заряда в МИС структури върху p-Si подложка, съдържащи силициеви нанокристали, с различно 20 първоначално зареждане и показващи различни напрежения на плоски зони.

Фигура 4. Промяна в напрежението на плоски зони при облъчване с гама-лъчение с различни дози.

Примери за изпълнение на изобретението

Съгласно едно примерно изпълнение МИС структурата включва подложка 1 от монокристален p-Si (100) със съпротивление 1 ом.ст. Върху нея в атмосфера на сух кислород при температура 850°С е израснат термично 3.9 nm дебел слой от SiO₂ 2, след което е нанесен слой от силициев субоксид SiO_x 3 (х=1.15, [12]) с дебелина 15 nm, 35 който е получен с термично изпарение на SiO във вакуум 10’⁵ тора. Дебелината му е определена с предварително калибрирано кварцово измерително устройство. Следва слой от силициев диоксид SiO₂ 4, получен с високочестотно катодно разпрашване, с дебелина на слоя 40 nm, определена елипсометрично. След отлагането на трите слоя структурата е подложена на термична обработка в азот с чистота 99.99% при 1000°С за 60 min, за да се формират силициеви нанокрис тали в слоя от SiO_x. След термичната обработка 45 задната страна на силициевата пластина е изцяло покрита с 1 микрон дебел алуминиев контакт, а върху горния слой от SiO₂ с термично изпарение във вакуум 5x10’⁵ тора е нанесен 1 микрон дебел алуминиев контакт с диаметър 0.5 mm.

Преди отлагането на слоевете на изолатора силициевата пластина се подлага на химично почистване на повърхността чрез следните технологични операции: изваряване в H,SO₄:H₂O₂(1:1), след което пластините се потапят във HF:H,0 в съотношение 1:10 за 15 sc цел премахване на естествения оксид, накрая пластините се измиват в дейонизирана вода за 30 min и се изсушават.

Волт-капацитивни характеристики при 1 мегахерц, измерени на МИС структури, съдържащи силициеви нанокристали, след зареждане с 6 последователни електрични импулса с амплитуда + 10 волта и продължителност 5 s, приложени върху горния алуминиев електрод, са показани на фиг. 2. Показана е и характеристика, измерена преди прилагане на електричен импулс. След прилагане на всеки импулс се наблюдава паралелно отместване на характеристиката с ~ 0.14 волта в посока на положителните напрежения, което съответства на постепенно увеличаване на заловения в нанокристалите отрицателен заряд [23] и демонстрира възможността за контрол на напрежението на плоски зони на структурите. Волт-капацитивните характеристики след всяко зареждане се измерват в тесен интервал от напрежения (0-2 волта), за да се избегне промяна в зарядовото състояние на нанокристалите. Не се наблюдава хистерезис.

Фигура 3 представя характеристики на задържане на заряда в МИС структури, съдържащи силициеви нанокристали, които са заредени в различна степен и показват две различни напрежения на плоски зони. При напрежение на плоски зони 0.44 волта не се наблюдава разреждане на структурата за 68 h, а при напрежение на плоски зони 0.83 волта 97% от зарядовите носители се съхраняват в диелектрика в рамките на четири денонощия. В интервалите между отделните измервания структурите са със съединени (дадени „накъсо”) контакти.

На фигура 4 е показана промяната в напрежението на плоски зони при структури с различно начално зареждане след облъчване с гама лъчи от ⁶⁰Со източник със средна енергия на лъчението Ε_λ= 1.25 МеВ и различни интегрални дози между 3 и 200 Грей. При дози до 100 Грей се наблюдава линейност в промяната на напрежението на плоски зони, което е едно от основните изисквания при всички детектори, включително тези за дозиметричен контрол.

Съгласно друго примерно изпълнение на

66556 Bl структурата, тя е отложена върху подложка от n-Si и е подложена на последващо термично третиране. Дозиметричните й параметри са същите както на структурата, отложена върху подложка от p-Si.

Приложение на изобретението

Структурите от типа Al/c-Si/SiO₂/Hk-Si-SiO_x/ S iO₂/Al и Al/c-Si/SiO₂/Hk-Si-SiO₂/SiO₂/Al намират приложение в медицината, при дозиметричния контрол в ядрената индустрия и в космическите изследвания. Те се явяват алтернатива на сега използваните радиационни сензори РАДФЕТ и такива на основата на МОС транзистори с 15 плаващ гейт. Основни характеристики на тези структури са чувствителност при малки дози на регистрираното лъчение и удобството им при използване, което е важно за приложението им при радиолечение на пациенти и при дозиметричния контрол в ядрената индустрия и възможността за многократното им използване.

Claims

Патентни претенции

1. Метод за получаване на МИС структура 25 от типа Al/c-Si/SiO₂/Si-SiO₂/SiO₂/Al с трислоен диелектрик, характеризиращ се с това, че върху кристална силициева подложка последователно един върху друг се нанасят слой от термично израснат SiO₂, втори слой от силициев субоксид, който се отлага с термично изпарение на силициев моноксид във вакуум и след отгряване при Т = 1000°С в този слой израстват силициеви нанокристали в матрица от SiO₂ и трети слой от 35 SiO₂, отложен с високочестотно разпрашване като върху задната повърхност на подложката и най-горния слой, се отлагат с термично изпарение във вакуум, алуминиеви контакти.
2. МИС структура от типа Al/c-Si/SiO,/ Si-SiO₂/SiO₂/Al съгласно претенция 1, характеризираща се с това, че се състои от кристална силициева подложка (1), върху която последователно са разположени един върху друг слой от термичен SiO₂ (2), слой от SiO₂, който съдържа силициеви нанокристали (3), слой от високочес- 45 тотно разпрашен SiO₂ (4) и алуминиеви контакти (5), като контактите (5) са нанесени върху задната повърхност на подложката (1).
3. МИС структура от типа Al/c-Si/SiO₂/ Si-SiO₂/SiO₂/Al съгласно претенция 2, характеризираща се с това, че съхранява заряд в нанокристалите за повече от четири денонощия.
4. МИС структура от типа Al/c-Si/SiO₂/SiSiO/SiO/AI съгласно претенция 2, характеризираща се с линейна промяна в напрежението на плоски зони при интегрални дози на облъчващо гама лъчение до 100 Грей.