摘 要:隨著核技術(shù)和空間技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的電子設(shè)備不可避免地應(yīng)用于各種輻射環(huán)境中。介紹兩類重要的輻射環(huán)境及現(xiàn)代工藝集成電路總劑量效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理，詳細(xì)描述電子空穴對(duì)的產(chǎn)生、氧化層陷阱電荷和界面陷阱的特點(diǎn)及對(duì)器件或電路的影響，并對(duì)現(xiàn)代先進(jìn)工藝的抗輻射特點(diǎn)及應(yīng)用前景進(jìn)行了探討。指出隨著CMOS工藝不斷按比例縮小，作為柵介質(zhì);HfO2最具應(yīng)用前景，而Smart_Cut材料則是非常有發(fā)展前景的SOI材料，很可能成為今后SOI材料的主流。

關(guān)鍵詞:總劑量效應(yīng);電子空穴對(duì);氧化物陷阱電荷;界面態(tài)

中圖分類號(hào):TN43文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)02-171-04

Total Dose Effects in Modern Integrated Circuit and Hardening Technologies

CHU Zhongqiang，XU Xi

(Institute of Electronic Engineering，Chinese Academy of Engineering Physics，Mianyang，621900，China)

Abstract:Along with the development of nuclear technology and space technology，more and more electronic equipments are used in all kinds of radiation environments.Two important radiation environments，the mechanism of total dose effects for integrated circuit，including the generation of electron_hole pairs，oxide trapped charge and interface traps are introduced.The advantages and application foreground of advanced technology are discussed，as dielectric material，HfO2 has a wide foreground，and in future the smart_cut material would become the SOI mainstream material.

Keywords:total dose effects;electron_hole pairs;oxide trapped charge;interface traps

0 引 言

隨著核技術(shù)和空間技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的電子設(shè)備不可避免地要用于各種輻射環(huán)境中。目前，對(duì)MOS器件影響最大的輻射環(huán)境包括空間輻射環(huán)境和核輻射環(huán)境兩類。這兩類輻射將會(huì)對(duì)各種元器件及電子系統(tǒng)構(gòu)成威脅。輻射對(duì)MOS器件的影響主要體現(xiàn)在電離輻射對(duì)柵介質(zhì)的破壞上，因此在分析電離總劑量效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上，指出選擇柵介質(zhì)材料和改進(jìn)工藝是MOS器件輻射加固的重點(diǎn)。采用被稱為“21世紀(jì)微電子技術(shù)”的SOI材料來(lái)制作CMOS和雙極電路，可實(shí)現(xiàn)全介質(zhì)隔離。這與PN結(jié)隔離的體硅相比，在抗單粒子特性、抗瞬態(tài)輻照和抗中子輻照等方面有著體硅電路不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

1 輻射環(huán)境

1.1 空間輻射環(huán)境

隨著空間和航天技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)谕鈱涌臻g的活動(dòng)日益增多，處在外層空間的電子系統(tǒng)則必須要考慮宇宙空間輻射環(huán)境的影響。外層空間輻射主要來(lái)自宇宙射線(主要成分是高能粒子)，圍繞地球的內(nèi)、外范#8226;艾倫輻射帶(主要成分是高能質(zhì)子和高能電子)，以及太陽(yáng)耀斑輻射(主要成分是高能質(zhì)子)等。此外，還有太陽(yáng)風(fēng)，極光輻射等。

從輻射觀點(diǎn)看，電離總劑量是一個(gè)非常嚴(yán)重的問(wèn)題，一個(gè)地球衛(wèi)星的電子系統(tǒng)每年所接受的累計(jì)輻射劑量可達(dá)100 Gy以上，對(duì)于暴露在外表面的元器件則更高，這將大大降低衛(wèi)星的壽命。

1.2 核輻射環(huán)境

除天然輻射環(huán)境外，核武器爆炸會(huì)造成最惡劣的核輻射環(huán)境，對(duì)各種元器件及電子系統(tǒng)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。它可以使處于破壞半徑以內(nèi)的地球衛(wèi)星、戰(zhàn)略轟炸機(jī)、艦艇、雷達(dá)和通信系統(tǒng)以及一切軍事設(shè)施的電子系統(tǒng)受到核輻射和電磁脈沖的影響而遭破壞。核輻射環(huán)境中的高能粒子主要有快中子流、高能電子流、γ射線、X射線、α射線和β射線等。其中，α射線和β射線易被大氣吸收，射程很短;對(duì)電子設(shè)備及其元器件威脅最大的是快中子(指能量大于0.5 MeV的中子)流和γ射線(能量在1 MeV左右)。

一個(gè)帶有能量的光子或粒子(離子)與靶物質(zhì)相互作用，以不同的方式損失能量，沉積的能量不僅取決于光子或粒子的質(zhì)量和能量，也取決于靶材料的原子序數(shù)及質(zhì)量。每1 g物質(zhì)沉積的能量稱為劑量(D)，單位為:拉德(rad)或戈瑞(Gy)表示，且有:

1 rad=100 erg/g=6.24×1013eV/g(1)

1 Gy=1 J/kg=100 rad(2)

一般對(duì)于硅及其氧化物分別用rad(Si)和rad(SiO2)表示，且1 rad(Si)=0.58 rad(SiO2)。

2 電離總劑量效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理

MOSFET及以其為主體的CMOS集成電路，由于其功耗低，集成度比雙極電路的高，抗中子輻射能力最強(qiáng)等特點(diǎn)，已經(jīng)成為數(shù)字集成電路的主流技術(shù)。電離輻射會(huì)在半導(dǎo)體材料內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，對(duì)于MOS器件，最關(guān)心的是氧化層中產(chǎn)生的電子空穴對(duì)。在電場(chǎng)作用下，電子很快遷移出SiO2，而空穴則一部分被SiO2中的深空穴陷阱俘獲成為固定正電荷，一部分在Si/SiO2界面形成界面態(tài)。電離輻照產(chǎn)生正空間電荷和界面態(tài)，是CMOS器件電離輻射效應(yīng)的主要機(jī)理[1]。形成的正電荷和界面態(tài)會(huì)使器件性能下降，從而導(dǎo)致集成電路功能退化。

2.1 電子空穴對(duì)的產(chǎn)生

高能電子(包括次級(jí)電子)和光子能使原子電離，產(chǎn)生電子空穴對(duì)。只要產(chǎn)生的電子和空穴的能量比生成一個(gè)電子空穴對(duì)所需的能量高，它們就可以產(chǎn)生額外的非熱平衡電子空穴對(duì)。如此，一個(gè)高能入射光子，電子或質(zhì)子可以產(chǎn)生大量的電子空穴對(duì)。表1給出Si，SiO2和GaAs三種材料中產(chǎn)生一個(gè)電子空穴對(duì)所需的最小能量Ep，以及各材料中每沉積1 rad的能量時(shí)所產(chǎn)生的初始電荷對(duì)密度g0。

表1 Si，SiO2和GaAs中產(chǎn)生一個(gè)電子空穴對(duì)所需的

最小能量Ep及初始電荷對(duì)密度g0

材料Ep /eV密度/(g#8226;cm-3)g0/(pairs#8226;cm-3)

GaAs～4.85.32~7×1013

Si3.62.3284×1013

SiO2172.28.1×1012

2.2 氧化層正電荷

射線在MOS器件氧化物中的電離輻射損傷的物理過(guò)程可以歸納為以下四個(gè)過(guò)程:電子空穴對(duì)的產(chǎn)生;部分電子空穴的瞬時(shí)復(fù)合;電子空穴在氧化物中的傳輸;空穴被SiO2中的深陷阱俘獲形成固定電荷，空穴在Si/SiO2界面形成界面態(tài)。

氧化層俘獲正電荷是由氧空位和E′中心俘獲空穴而形成的[2，3]。最近的研究已經(jīng)確定了三種最主要的E′缺陷類型:Eδ′，Eγ4′，Eγ5′。在電子俘獲或發(fā)射過(guò)程中，由于中心原子硅原子的弛豫特性，這些缺陷的微結(jié)構(gòu)看起來(lái)似乎在自由度方面有差異[3]。缺陷結(jié)構(gòu)是通過(guò)二維傅里葉變換(DFT)計(jì)算得到的，如圖1所示。而對(duì)這些結(jié)構(gòu)的辨識(shí)是通過(guò)對(duì)大量的氧空位加入一個(gè)α石英超晶胞和四個(gè)不同類型的無(wú)定形SiO2超晶胞進(jìn)行DFT計(jì)算獲得。

Eδ′中心是一個(gè)“調(diào)解”空位，在氧化物中對(duì)空穴會(huì)形成淺陷阱，大部分Eδ′中心的能量位于SiO2能帶隙，其能量位于價(jià)帶以上0.5～1.0 eV。由于Eδ′的淺陷阱能級(jí)，使它成為最佳的缺陷類型，這也是造成電離輻射后空穴在SiO2傳輸?shù)臅r(shí)間相關(guān)性的原因。Eδ′中心因此成為電離損傷動(dòng)態(tài)傳輸過(guò)程中的一個(gè)突出因素。第二類缺陷Eγ4′可以很容易地進(jìn)行電荷交換，這類缺陷的能級(jí)大于4 eV，它的這種亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)可以使其很容易俘獲和發(fā)射電荷。第三類空穴俘獲缺陷Eγ5′比其他兩種俘獲中心要穩(wěn)定得多，如同所有的Eγ′中心，這類缺陷的能級(jí)大于3.5 eV，但是這種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)使它與Si之間的電荷交換變得不是那么容易。與Eδ′和Eγ4′不同的是，Eγ5′更容易俘獲氧化物中的固定電荷。這些固定電荷對(duì)MOS器件最重要的影響是引起閾電壓的負(fù)漂移，對(duì)N溝道MOSFET，這種漂移可以是過(guò)零電壓，使CMOS器件一直處于通導(dǎo)，引起CMOS器件的漏電流增加;而對(duì)P溝道MOSFET，閾值電壓向負(fù)電壓方向漂移，到一定程度就會(huì)引起CMOS器件截止。

圖1 缺陷結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 界面俘獲

輻射引起的界面俘獲Nit受Si/SiO2界面的硅懸掛鍵缺陷中心Pb支配，最重要的這類俘獲中心被稱為Pb0中心，次要的被稱為Pb1[4]中心。圖2是Pb0和Pb1界面陷阱缺陷在硅(111)，(110)和(100)方向的示意圖。

導(dǎo)致產(chǎn)生氧化物俘獲電荷的三類初始過(guò)程與Nit形成的初始過(guò)程很相似，但是最終形成懸掛鍵卻依賴于其他的幾個(gè)反應(yīng)。最主要的反應(yīng)是傳輸?shù)目昭ū缓瑲涞娜毕莘@釋放出H+，雖然說(shuō)空穴與缺陷的直接反應(yīng)可以產(chǎn)生界面俘獲，但是實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)驗(yàn)證了在接近和超過(guò)室溫溫度時(shí)大部分的界面俘獲是由質(zhì)子產(chǎn)生的。此外通過(guò)密度函數(shù)的計(jì)算也可以證實(shí)由空穴直接作用形成的界面俘獲在很多情況下不是主要的。因此Pb中心的產(chǎn)生主要是依賴界面附近存在的H+。

質(zhì)子的擴(kuò)散或在電場(chǎng)作用下向電介質(zhì)的漂移會(huì)使靠近界面Si一側(cè)的氫鈍化懸掛鍵(D)中的氫原子移出形成H2，其反應(yīng)方程式如下[5]:

SiH+H+D++H2(3)

輻射引入的界面態(tài)會(huì)改變溝道載流子的散射，從而會(huì)使溝道載流子遷移率下降，MOSFET的跨導(dǎo)降低，還會(huì)增大截至電流和亞閾值電流，增大噪聲。

圖2 硅(111)，(110)和(100)方向Pb0

和Pb1界面陷阱缺陷示意圖

3 先進(jìn)半導(dǎo)體材料與器件

輻射對(duì)MOS器件的影響主要體現(xiàn)在電離輻射對(duì)柵介質(zhì)的破壞作用。因此柵介質(zhì)材料和工藝改進(jìn)是MOS器件輻射加固的重點(diǎn)。隨著CMOS工藝不斷地按比例縮小，SiO2柵介質(zhì)層受到了越來(lái)越多的挑戰(zhàn)，新興的先進(jìn)半導(dǎo)體材料與器件也隨之大量涌現(xiàn)。

3.1 深亞微米MOS器件

現(xiàn)有研究結(jié)果表明，較薄的柵氧化層使器件抗總劑量性能變得更加良好。這是因?yàn)榈缴顏單⒚纂A段，已經(jīng)很薄的柵氧化層中產(chǎn)生的界面陷阱和氧化層陷阱很少，這就使大尺寸器件中影響輻射總劑量效應(yīng)的主要因素變得不再重要[6]。同時(shí)深亞微米CMOS工藝中由輻射引起的閾電壓漂移和跨導(dǎo)下降也減小了，主要是氧化層厚度減薄了，使得俘獲空穴與來(lái)自柵/Si界面的電子的復(fù)合加快。

然而隨著器件的按比例縮小，會(huì)產(chǎn)生一些輻射引入的新現(xiàn)象和新約束。比如:為了保持溝道電流有可接受的控制能力，必須考慮一些短溝效應(yīng)，如漏感應(yīng)勢(shì)壘降低(DIBL)，柵感應(yīng)漏電流(GIDL)[7]。這時(shí)與隔離有關(guān)的場(chǎng)氧化層變成了主要因素，場(chǎng)氧化層中的陷阱電荷，特別是淺能級(jí)陷阱電荷Eδ′中心就成為了深亞微米器件輻射效應(yīng)的主要來(lái)源。此外，深亞微米工藝采用了一些使柵介質(zhì)遭受輻照并產(chǎn)生電學(xué)損傷的加工步驟，如等離子刻蝕、電子束、離子束及X射線曝光等。它們?cè)谘趸镏锌赡墚a(chǎn)生直接或潛在的損傷，這些損傷是引入陷阱的原因。

3.2 高k柵介質(zhì)

如今高k柵電介質(zhì)已經(jīng)成為了一種很重要的先進(jìn)的材料技術(shù)，由于增加介電常數(shù)可以增加等效氧化物的厚度Teq。因此選用高k柵電介質(zhì)，可以降低由SiO2超薄柵材料直接隧穿引入的柵源漏電流，提高可靠性。目前研究中的高k柵電介質(zhì)材料很多，其中有些材料很有希望，如Al2O3，ZrO2，HfO2，Ta2O5，它們的介電常數(shù)分別為8～11.5，22.2～28，26～30，25～45。

Al2O3具有非常好的穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度。而且作為柵介質(zhì)層，它又有很多優(yōu)點(diǎn)，如它有很大的禁帶寬度，在高溫下的熱穩(wěn)定性相當(dāng)好等。但是Al2O3的介電常數(shù)只有8～11.5。而對(duì)VIB族的化合物研究最多的，也最有應(yīng)用前景的是HfO2，由于在熱處理過(guò)程中，氧很容易通過(guò)HfO2擴(kuò)散到HfO2和硅的界面與硅反應(yīng)，所以HfO2柵極介質(zhì)層和硅襯底之間往往有一層二氧化硅[6]。研究表明，界面層的厚度達(dá)到0.5 nm，而二氧化硅的存在會(huì)大大降低柵介質(zhì)層的等效氧化層厚度Teq。同時(shí)，由于氧化層很薄，很容易產(chǎn)生大的漏電流，從而破壞高介電常數(shù)層。氮被普遍認(rèn)為可以有效地減少界面態(tài)，抑制雜質(zhì)擴(kuò)散。研究結(jié)果表明，用等離子方法引入氮能夠得到更小的Teq、漏電流、更高的載流子遷移率，同時(shí)又能保證好的熱穩(wěn)定性和對(duì)硼擴(kuò)散的抑制能力[7]。界面態(tài)密度和固定電荷密度隨著介質(zhì)層介電常數(shù)的升高而減小，亦隨著Teq的增大而減小。

雖然已經(jīng)廣泛地研究了大量的高k柵材料，然而目前尚無(wú)能夠最終取代SiO2的電介質(zhì)材料。因?yàn)閺闹圃斓慕嵌瓤?，每隔兩代或三代更換一種新的柵介質(zhì)是不實(shí)際的，關(guān)鍵的問(wèn)題是要找到一種能像這樣有近50年歷史的柵介質(zhì)。

3.3 SOI工藝的輻射加固

SOI(Silicon On Insulator)技術(shù)是為了滿足航天電子學(xué)、導(dǎo)彈武器系統(tǒng)控制和衛(wèi)星系統(tǒng)研制需要而發(fā)展起來(lái)的一種新型硅材料，由于其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，能突破體硅材料和器件按比例縮小時(shí)出現(xiàn)的限制，SOI被公認(rèn)為“21世紀(jì)的微電子技術(shù)”。采用這種材料制作的CMOS和雙極電路，實(shí)現(xiàn)了全介質(zhì)隔離，它與PN結(jié)隔離的體硅相比，具有無(wú)閉鎖、高速、低功耗、高封裝密度等優(yōu)點(diǎn)，在抗單粒子特性、抗瞬態(tài)輻照和抗中子輻照等方面也有著體硅電路不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

SOI材料的制備方法主要有注氧隔離技術(shù)(SIMOX)、智能剝離技術(shù)(Smart_Cut)、硅片鍵合與背面腐蝕技術(shù)(BESOI)、外延層轉(zhuǎn)移技術(shù)(ELTRAN)、區(qū)溶再結(jié)晶技術(shù)、多孔氧化硅全隔離技術(shù)等，而其中SIMOX與Smart_cut是主流技術(shù)。目前比較廣泛使用且比較有發(fā)展前途的SOI的材料主要有SIMOX材料、BESOI材料和Smart_Cut SOI材料[8]。在這三種材料中，SIMOX適合于制作薄膜全耗盡超大規(guī)模集成電路，BESOI材料適合于制作部分耗盡集成電路，而Smart_Cut材料則是非常有發(fā)展前景的SOI材料，它很有可能成為今后SOI材料的主流。

與體硅材料的主要區(qū)別在于SOI材料的頂層硅下面存在一層絕緣埋層。因此，當(dāng)SOI器件受到電離輻射時(shí)，除了在前柵氧化層中產(chǎn)生空穴陷阱電荷以及在氧化層與硅界面上產(chǎn)生界面態(tài)電荷以外，在埋層(即背柵氧化層)中也會(huì)產(chǎn)生空穴陷阱電荷，并在埋層與硅界面上產(chǎn)生界面態(tài)電荷[9]。這些輻射感生電荷不僅會(huì)使SOI MOSFET的背柵閾值電壓產(chǎn)生漂移，而且可能導(dǎo)致器件泄漏電流增加，使器件難以關(guān)斷。

關(guān)于SIMOX FDSOI(全耗盡SOI)工藝最新研究表明，在最差的配置條件下，當(dāng)總劑量達(dá)到100 krad時(shí)前柵閾值電壓漂移大約為360 mV[10]。這種工藝的埋層氧化物厚度為330 nm，柵氧化層的厚度為15 nm。圖3所示為不同柵長(zhǎng)SOI器件，當(dāng)輻照總劑量達(dá)到100 krad和300 krad時(shí)測(cè)量得到的I_V曲線。NMOS/SOI總劑量的效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致單個(gè)晶體管產(chǎn)生永久的閉鎖效應(yīng)。

圖3 不同柵長(zhǎng)SIMOX FDSOI工藝，輻照總劑量為100 krad和300 krad時(shí)的I_V曲線

4 結(jié) 語(yǔ)

從已有的數(shù)據(jù)分析可以得出，未來(lái)電子設(shè)備的總劑量效應(yīng)仍然是存在的。對(duì)采用新工藝、新材料制備的電子器件，系統(tǒng)的測(cè)試和分析還是必要的，尤其是按比例縮小，對(duì)柵氧化層的加固，SOI，深亞微米CMOS器件能否通過(guò)輻射測(cè)試對(duì)未來(lái)電子學(xué)發(fā)展至關(guān)重要。

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