何玉娟,羅宏偉,恩云飛,張正選

1.電子元器件可靠性物理及其應用技術國防科技重點實驗室,廣州 510610;2.中科院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所,上海 200050

2.Shanghai Institude of Microsystem and Information Technology,Shanghai 20050,China

與傳統(tǒng)的體硅集成電路相比,使用 SOI材料制作的集成電路在抗單粒子效應(SEE)及高劑量率瞬態(tài)輻照方面具有顯著的優(yōu)勢。SOI結(jié)構與體硅結(jié)構最大的區(qū)別在于 SOI在頂層硅膜與硅襯底之間引入絕緣層作為介質(zhì)隔離層,其中用作絕緣層的氧化物稱為埋氧層,器件的有源區(qū)則位于埋氧層上的硅膜內(nèi)。此埋氧層一方面使器件的 p-n結(jié)面積較小,從而降低了其收集電離電荷的能力;另一方面也使埋層以下的襯底中的電離電荷不能進入器件的結(jié)區(qū)被收集。然而,埋氧層的存在使 SOI結(jié)構的總劑量效應更加復雜,因為總劑量電離損傷來自輻照在氧化物中產(chǎn)生的電荷俘獲以及界面態(tài),SOI器件獨有的埋氧層在電離輻射效應中會存在電荷俘獲,這些俘獲電荷將導致器件閾值電壓漂移,引起泄漏電流的增加。

我國內(nèi)主要使用60Coγ射線作為輻射源對微電子器件和電路進行空間輻照實驗的模擬,但 X射線作為輻射源具有安全、劑量率控制準確、劑量率高等特性,能大大降低封裝、測試、運輸?shù)某杀?提高研發(fā)效率[1-8]。SOI器件 10keV X射線和60Coγ射線總劑量輻射效應的比較研究在國內(nèi)并未見發(fā)表,而國際上 M.R.Shaneyfelt[9]等人曾研究了在兩種輻射源下柵氧層電場強度對體硅 MOS器件總劑量效應的比例關系,但未對不同偏置情況進行研究。本文采用 10 keV X射線和60Coγ射線對 SOIn-MOSFET在不同偏置條件下進行總劑量輻照試驗,并分析SOI器件在這兩種輻射源下輻照前后閾值電壓的變化情況,比較這兩種輻射源對 SOI n-MOSFET總劑量效應的影響情況。

1 實驗樣品與條件

此次試驗樣品為 3μ工藝 SOIn-MOSFET,埋氧層厚度為 375 nm,采用 SIMOX工藝制成。由于條柵、H型柵等柵結(jié)構的 SOI n-MOSFET在輻照中存在較大的泄漏電流,因此本次試驗采用環(huán)柵結(jié)構的SOI器件。

輻照所使用的輻射源有兩種:10 keV X射線和60Coγ射線。其中 10keV X射線輻照試驗在電子元器件可靠性物理及其應用技術國防科技重點實驗室的 X射線輻射系統(tǒng)上進行,輻射劑量率為 250 rad(Si)/s,輻射總劑量為 0～1.5×106rad(Si);60Coγ射線輻照試驗在中國科學院新疆理化技術研究所進行,輻射源能量為 7×104Curie,輻射劑量率為240 rad(Si)/s,輻射總劑量為 0～1×106rad(Si)。

輻照試驗中采用 3種偏置條件,其偏置情況如表 1所示。每種偏置狀態(tài)輻照了 3只樣品,并剔除異常數(shù)據(jù)后取其平均值。SOI器件的參數(shù)測量是在半導體器件參數(shù)精密測量儀 HP4155B上完成的。對輻照 SOI器件的測試是在輻照到一定總劑量后移位進行測試的,且每次測試都是在輻照完成后20min內(nèi)進行的。

表 1 SOIn-MOSFET輻照偏置條件

2 實驗結(jié)果與分析

采用 10 keV X射線和60Coγ射線輻射源對 SIMOX SOI n-MOSFET在不同偏置條件下進行總劑量輻照試驗,SOI器件的前柵和背柵器件的閾值電壓漂移隨總劑量的變化情況見圖 1所示。

圖 1 SOIn-MOSFET在X射線和60 Coγ射線輻射源下,不同偏置條件時閾值電壓漂移值隨總劑量變化情況

圖 1(a)中可以看出,SOI n-MOSFET的前柵特性中在 ON、OFF和 PG偏置條件下60Coγ射線輻照導致的閾值電壓漂移值大于 X射線輻照下的漂移值,特別是 ON偏置條件下,在 1×106rad(Si)總劑量條件下,X射線輻照引起的閾值電壓漂移值為-1.4 V,而60Coγ射線輻照導致的閾值電壓漂移值達到 -2.1 V,增大了近 1/2。

SOIn-MOSFET的背柵特性在 ON和 PG偏置條件時,X射線輻照引起的閾值電壓漂移值比60Coγ射線輻照引起的閾值電壓漂移值大約 10%～20%,而 OFF偏置條件下這兩種射線導致的閾值電壓漂移值相差不大,如圖 1(b)所示。

從圖 2可以看出,SOIn-MOSFET前柵和背柵器件在不同輻照偏置下的 α值是隨輻照總劑量的增大而發(fā)生變化的,并不是恒定不變。前柵器件的 α值在 ON、OFF和 PG偏置條件下都是隨著總劑量的增加而增大的;背柵器件的 α值在 PG偏置時隨總劑量的增加而增大,而在 ON和 OFF偏置時則隨之減小。SOIn-MOSFET前柵器件在總劑量 1×106rad(Si)時在 PG偏置時的 α值最大,達到 0.75,而ON和 OFF偏置時則 α值約為 0.6;在總劑量 1×105rad(Si)時,OFF偏置時 α值最小,只有 0.36,PG偏置時 α值最大,達到 0.53。SOI n-MOSFET背柵器件在總劑量1×105rad(Si)時,三種偏置的 α值都約為 0.9;在總劑量 1×106rad(Si)時,ON偏置時的α值最大,達到 1.0,PG偏置時的 α值最小,只有0.76。

圖 2 SOIn-MOSFET不同偏置條件下輻照后α值隨輻照總劑量變化關系:(a)正柵特性 (b)背柵特性

X射線與60Coγ射線源輻照后的閾值電壓漂移值比率不為 1的原因可能是60Coγ射線和 X射線源之間存在復合多少的問題,由于60Coγ射線和 X射線源的遏制功不同,60Coγ射線源適用于圓柱模型,而 X射線源適用于偏成對模型的中間態(tài)模型。由于60Coγ射線和 X射線源的光譜的不確定性,其光譜之間存在較大的差異。故此兩種輻射源之間的物理的基本作用是不同的。10 keV X射線發(fā)出的光子與材料的相互作用為光電子吸收,而光電子吸收的橫截面強烈依賴于目標材料,在硅中為 32 cm2/g,在二氧化硅中為 18 cm2/g。而60Coγ射線發(fā)出的高能光子與材料之間的相互作用一般為 Compton散射,光子與電子互相作用并給予其大部分能量,其殘留物由二次電子所獲得。由于目標電子的鍵合能相對光子能量可以被忽略,所以目標電子可以做自由電子處理,則 Compton橫截面與目標材料無關。對于 1 MeV光子,硅和二氧化硅的 Compton橫截面為0.06 cm2/g。

對于這兩種輻射源,對氧化層輻照的劑量大部分都由二次電子傳輸,所以在考慮這兩種源時,其在電荷產(chǎn)生和復合上有兩個不同:①X射線對器件的輻照存在劑量增強效應,這是因為硅和二氧化硅之間光電子吸收橫截面不同所導致的,而60Coγ射線在硅和二氧化硅中的 Compton散射橫截面是相同的,所以不存在劑量增強效應。②10 keV X射線相對60Coγ射線而言,其遏制功大了 10倍,即 X射線照射氧化層中的復合效應更加強烈。

由于存在劑量增強效應和復合效應差異這兩種狀況,所以對于60Coγ射線和 X射線對比的情況較復雜,氧化層厚度(與劑量增強效應有關)及電場情況(與復合效應有關)等外部因素都可能會影響這兩種射線輻照效應的比率。

因此在樣品和輻照條件相同的情況下,60Coγ射線和 X射線源主要在電荷的產(chǎn)生和復合上存在不同,而不同的器件工藝條件,電荷產(chǎn)生和復合情況是不同的,因此在此次實驗中,60Coγ射線和 X射線源對 SOI n-MOSFET輻照引起的閾值電壓漂移趨勢是相同的,但是閾值電壓漂移量上存在少許差異。

3 結(jié)論

采用 10 keV X射線和60Coγ射線為輻射源對SOIn-MOSFET在不同偏置條件下進行輻照,對輻照結(jié)果進行分析和比較,結(jié)果表明,SOI器件的 X射線與60Coγ射線輻照后閾值電壓漂移值的比率 α值并不為 1,前柵特性中 α值在 3種偏置條件下都隨總劑量增大而增加,而背柵特性中 α值在 PG偏置下隨總劑量增大而變大,而 ON和 OFF偏置時 α值隨總劑量增大而變小。其原因很可能是 SOI器件在 X射線與60Coγ射線中復合模型不同,使其在氧化層中陷阱電荷的產(chǎn)生率和復合率都存在差異,從而導致 X射線與60Coγ射線輻照后閾值電壓漂移值的比率不為 1,且隨著氧化層厚度及電場強度的不同而發(fā)生改變。

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何玉娟(1981-),女,漢族,籍貫江西,2006年 6月畢業(yè)于華南理工大學微電子專業(yè),獲碩士學位,現(xiàn)在工業(yè)和信息化部電子第五研究所電子元器件可靠性物理及其應用技術國防科技重點實驗室進行器件與電路的 X射線輻射方面的研究,heyu0000@126.com。