pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2025-16-3-275-280pimi-981Research ArticleМетоды измерений, контроля, диагностикиMethods of measurements, monitoring, diagnosticsВлияние импульсной фотонной обработки в среде азота на надёжность подзатворного оксида кремния, полученного пирогенным окислениемEffect of Pulsed Photon Processing in a Nitrogen Ambient on the Reliability of Gate Silicon Oxide Obtained by Pyrogenic OxidationКовальчукН. С.KovalchukN. S.

ул. Казинца, 121А, г. Минск 220108

Kazintsa str., 121A, Minsk 220108

ПилипенкоВ. А.PilipenkoY. A.

ул. Казинца, 121А,г. Минск 220108

Kazintsa str., 121A, Minsk 220108

СоловьёвЯ. А.SolovjovJa. А.

Адрес для переписки:Соловьёв Я. А. - ОАО «ИНТЕГРАЛ» – управляющая компания холдинга «ИНТЕГРАЛ»,ул. Казинца, 121А, г. Минск 220108, Беларусь e-mail: jsolovjov@integral.by

Address for correspondence:Solovjov Ja.A. - «Integral» – «Integral» Holding Management Company,Kazinca str.,121A, Minsk 220108, Belarus

e-mail: jsolovjov@integral.by

jsolovjov@integral.by«ИНТЕГРАЛ» – управляющая компания холдинга «ИНТЕГРАЛ»Беларусь«INTEGRAL» – «INTEGRAL» holding managing companyBelarus202502102025163275280Copyright © Ковальчук Н.С., Пилипенко В.А., Соловьёв Я.А., 20252025Ковальчук Н.С., Пилипенко В.А., Соловьёв Я.А.Kovalchuk N.S., Pilipenko Y.A., Solovjov J.А.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://pimi.bntu.by/jour/article/view/981

Надёжность подзатворного диэлектрика является ключевым фактором его применения в электронной компонентной базе современных устройств электроники. Время наработки на отказ слоёв оксида кремния зависит от плотности дефектов, обусловленных наличием гидроксильных групп и водорода в его объёме, и оборванных связей кремния на границе раздела с оксидом. Целью данной работы являлось изучение влияния импульсной фотонной обработки в среде азота на надёжность подзатворного оксида кремния, полученного методом пирогенного окисления. Слои оксида кремния толщиной 17,7 нм получали методом пирогенного окисления подложек монокристаллического кремния, легированных бором с удельным сопротивлением 12 Ом∙см диаметром 100 мм с ориентацией (100) при температуре 850 °С в течение 40 мин. Импульсную фотонную обработку выполняли путём нагрева в азотной среде до 1150 ℃ за 7 с некогерентным потоком излучения от кварцевых галогенных ламп, направленным на нерабочую сторону подложки. Время наработки диэлектрических слоёв на отказ определяли методом ускоренных испытаний с применением тестовых МОП-конденсаторов. Показано, что импульсная фотонная обработка пирогенного оксида в среде азота приводит за счёт уплотнения оксида кремния и образования связей Si–N к увеличению времени наработки на отказ в 2,45 раза, что на 29,8 % больше, чем при обработке в естественных атмосферных условиях.

Reliability of a gate dielectric is a key factor in its application for modern electronic devices’ electronic component base. Silicon oxide layers’ operating free-running time depends on defects’ density due to presence of hydroxyl groups and hydrogen in its volume, and broken silicon bonds at the interface with the oxide. Purpose of this work was to study effect of pulsed photon processing in a nitrogen ambient on the reliability of gate silicon oxide obtained by pyrogenic oxidation. Silicon oxide layers with a thickness of 17.7 nm were obtained by pyrogenic oxidation of single crystal silicon substrates doped with boron having resistivity of 12 Ω×cm, diameter of 100 mm, with an orientation of (100) at a temperature of 850 ℃ for 40 min. Pulsed photon processing was performed by heating in a nitrogen ambient upto 1150 ℃ in 7 s under an incoherent radiation flux from quartz halogen lamps directed at the non-working side of the substrate. The dielectric layers’ failure time was determined by accelerated testing using test MOSFET capacitors. It was shown that pulsed photon treatment of pyrogenic oxide in a nitrogen ambient lead to a 2.45–fold increase in operating free-running time due to densification of silicon dioxide and formation of Si-N bonds, which was 29.8 % longer than after processing in natural atmospheric conditions.

оксид кремнияпирогенное окисленияимпульсная фотонная обработкавольт-амперная характеристиканаработка на отказsilicon oxidepyrogenic oxidationpulsed photon processingvolt-ampere characteristicoperating time to failureReferencesDoering, R. Handbook of Semiconductor Manufacturing Technology, 2nd ed. / R. Doering, Y. Nishi. NY: CRC Press, 2007. DOI: 10.1201/9781420017663Doering R., Nishi Y. Handbook of Semiconductor Manufacturing Technology, 2nd ed. NY: CRC Press, 2007. DOI: 10.1201/9781420017663Харченко, В. А. Проблемы надежности электронных компонент / В. А. Харченко // Известия вузов. Материалы электронной техники. – 2015. – Т. 18, № 1. – С. 52–57. DOI: 10.17073/1609-3577-2015-1-52-57Kharchenko V. A. Reliability Problems of Electronic Components. News Bulletin Materials of Electronic Engineering. 2015;18(1):52-57. (In Russ.). DOI: 10.17073/1609-3577-2015-1-52-57Данилин, Н. Проблемы применения перспективной электронной компонентной базы в космосе / Н. Данилин, С. Белослудцев // Современная электроника. – 2006. – № 4. – С. 16–17.Danilin N., Belosludtsev S. Application Problems of the Prospective Electronic Component Base in Space. Modern Electronics. 2006;(4):16–17. (In Russ.).Красников, Г. Я. Конструктивно-технологические особенности субмикронных МОПтранзисторов : в 2 ч. / Г.Я. Красников. – М.: Техносфера, 2002. – Ч. 1.– 416 с.Krasnikov G. Ya. Design-Technological Peculiarities of the Sub-Micron MOS-Transistors : in 2 parts. Moscow, Technosphere Publ. 2002;1;416 p. (In Russ.).Никифоров, А. Ю. Радиационная стойкость электронной компонентной базы систем специальной техники и связи / А. Ю. Никифоров, В. А. Телец // Спецтехника и связь. – 2011. – № 4. – С. 2–4.Nikiforov A. Yu., Telets V. A. Radiation Resistance of the Electronic Component Base of the Special Equipment and Communications Systems. Special Equipment and Communications. 2011;(4):2-4. (In Russ.).Солодуха, В. А. Экспрессный контроль надежности подзатворного диэлектрика полупроводниковых приборов / В. А. Солодуха [и др.]. // Приборы и методы измерений. – 2018. – Т. 9, № 4. – С. 306–313. DOI: 10.21122/2220-9506-2018-9-4-308-313Solodukha V. A., Chigir G. G., Pilipenko V. A., Filipenya V. A., Gorushko V. A. Reliability Express Control of the Gate Dielectric of Semiconductor Devices. Devices and Methods of Measurements. 2018;9:(4):306-313. (In Russ.). DOI: 10.21122/2220-9506-2018-9-4-308-313Pilipenko, V. A. Influence of Fast Thermal Treatment on the Electrophysical Properties of Silicon Dioxide / V. A. Pilipenko, V. A. Solodukha, V. A. Gorushko // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2018. – Vol. 91, No 5. – P. 1337–1341. DOI: 10.1007/s10891-018-1866-0Pilipenko V. A., Solodukha V. A., Gorushko V. A. Influence of Fast Thermal Treatment on the Electrophysical Properties of Silicon Dioxide. Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2018;91(5):1337-1341. DOI: 10.1007/s10891-018-1866-0Ковальчук, Н. С. Влияние импульсной фотонной обработки в среде азота на оптические и электрофизические характеристики слоев двуокиси кремния и ее границы с кремнием / Н. С. Ковальчук, В. А. Пилипенко, Я. А. Соловьёв // Доклады БГУИР. – 2025. – Т. 23, № 3. – С. 5–11. DOI: 10.35596/1729-7648-2025-23-3-5-11Kovalchuk N. S., Pilipenko V. A., Solovjov Ja. A. Effect of Pulsed Photon Processing in Nitrogen Ambient on Optical and Electrophysical Characteristics of Silicon Dioxide Layers of Its Boundaries with Silicon. Doklady BGUIR. 2025;23(3):5-11. (In Russ.). DOI: 10.35596/1729-7648-2025-23-3-5-11Белоус, А. И. Методы повышения надежности микросхем на основе тестовых структур / А. И. Белоус, А. С. Турцевич, Г. Г. Чигирь. − Германия, LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG HeinrichBöcking, 2012. − 240 с.Belous A. I., Turtsevich A. S., Chigir G. G. Methods of Enhancing Reliability of Integrated Circuits on the Basis of Test Structures. Germany, LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG Heinrich-Böcking Publ., 2012:240 p. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.