付興中，何玉娟，鄭婕，章曉文

（1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050000；2.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610）

0 引言

在空間長時間運行的設備和器件，在受到空間輻射效應影響的同時，也會由于熱載流子效應的影響而使得器件的壽命降低。在進行地面模擬試驗時，一般采用單機理的試驗模擬方式，但空間總劑量輻照效應對器件熱載流子效應甚至其使用壽命的影響究竟如何，國內外卻研究得較少。

本文針對特征尺寸為0.35 μm的NMOS器件，研究總劑量輻照效應對NMOS器件熱載流子測試的影響，結果發(fā)現(xiàn)：在經過總劑量輻照后進行熱載流子測試，閾值電壓隨著總劑量的增大而減小，隨著熱載流子測試時間的增大而增大，并且變化值遠遠超過未經過總劑量輻照的器件。

1 試驗結果

試驗所用的NMOS器件為SMIC公司的流片，其特征尺寸為0.35 μm，器件的柵氧化層厚度為6.5 nm，寬長比為50。

總劑量輻照劑量率為50 rad（Si）/s，偏置為ON偏置 （VG=VDD，VD=VS=VB=0 V），總劑量為100 krad（Si），試驗是在中科院新疆理化所的鈷-60總劑量輻射源處進行的。

熱載流子測試采用的試驗條件為VD=4.0 V，VG=1.6 V，VS=VB=0 V，測試時間為10 000 s，采用keithley 4200半導體參數(shù)測試系統(tǒng)進行NMOS器件的I-V測試。

條柵器件100 krad（Si）總劑量輻照后熱載流子試驗的ID-VG曲線如圖1所示，其閾值電壓的變化情況如圖2所示，最大跨導Gm的變化情況如圖3所示。

從圖1中可以看出，NMOS器件在經過100 krad（Si）總劑量輻照后，ID-VG曲線向負向漂移，并且輻照后在VG截止態(tài)時存在泄漏電流，總劑量輻照使得器件漏極的泄漏電流從E-11量級上升到E-6量級，提高了5個量級。同時，從圖2-3中可以看出，總劑量輻照使得NMOS器件的閾值電壓Vth減小，最大跨導Gm減小。

在總劑量輻照后，NMOS器件經過了10 000 s的熱載流子試驗，試驗結果如圖1所示。從圖1中可以看出，熱載流子試驗使得NMOS器件的ID-VG曲線向正向漂移，這與總劑量輻照結果相反；另外，熱載流子試驗也使得NMOS器件的泄漏電流恢復到輻照前，泄漏電流減小到初始狀態(tài)。

圖1 條柵N1器件100 krad（Si）輻照后熱載流子試驗的ID-VG曲線

從圖2-3中可以看出，熱載流子試驗使得NMOS器件的閾值電壓Vth增大，最大跨導Gm減小。

因而可知，對于NMOS器件的閾值電壓Vth而言，總劑量輻照與熱載流子試驗使得Vth先減小，再增大，是互相部分抵消的結果；對于最大跨導Gm而言，總劑量輻照與熱載流子試驗使得Gm一直減小，是互相疊加的結果。

圖2 條柵器件100 krad（Si）輻照后熱載流子試驗前后Vth參數(shù)變化曲線圖

圖3 條柵器件100 krad（Si）輻照后熱載流子試驗前后Gm參數(shù)變化曲線圖

2 試驗分析

0.35 μm的NMOS器件經過 100 krad （Si） 總劑量輻照后，其熱載流子測試前后Vth變化情況與未經過輻照的相同樣品在相同的熱載流子測試電壓下的Vth變化情況的對比如圖4所示。從圖4中可以看出，未經過輻照的樣品，在熱載流子測試時，其閾值電壓Vth的變化極小，在經過9 000 s熱載流子測試后，閾值電壓只增加了0.04 V，相比于初始的閾值電壓0.55 V，變化比例不超過10%。而經過100 krad（Si）總劑量輻照后，在器件熱載流子測試時，閾值電壓Vth變化很大，在經過10 000 s熱載流子測試后，閾值電壓增加了0.18 V，相比于初始閾值電壓0.58 V，變化比例超過30%。

圖4 經過總劑量輻照后的樣品與未輻照樣品的熱載流子測試Vth變化曲線

未經輻照的樣品與經過總劑量輻照的樣品在熱載流子試驗時其Vth相差這么明顯，究其原因可能與總劑量退火效應，以及總劑量和熱載流子協(xié)同效應有關。

首先，100 krad（Si）總劑量輻照后，NMOS器件進行熱載流子試驗，由于總劑量輻照后未進行退火試驗，并且熱載流子試驗時NMOS器件柵極和漏極施加電信號，因此，在熱載流子試驗時，器件是同時進行總劑量退火試驗和熱載流子測試的。

常溫下的總劑量退火效應曲線如圖5所示，常溫加偏置總劑量的退火效應會使得NMOS器件的氧化層陷阱電荷內的正電荷與電子復合，從而使得輻射感生的氧化層陷阱電荷減少；但在常溫下，總劑量的退火效應卻無法使NMOS器件的界面態(tài)電荷發(fā)生退火效應，反而由于部分慢界面態(tài)在總劑量輻照后仍在慢慢地建立，因此，常溫加偏置退火會使得NMOS器件的界面態(tài)仍存在少量的增長，在50 rad（Si）/s的高劑量率下的100 krad（Si）總劑量輻照下，在NMOS器件的界面處的界面態(tài)增加較少，退火后界面態(tài)仍在緩慢地增加，但增加得極少。

然而，總劑量的退火效應只是使得NMOS器件的氧化層陷阱電荷的復合部分增加，并且界面態(tài)增加得較少，因此，NMOS器件總劑量退火后的閾值電壓正向增加的數(shù)值要小于其總劑量輻照導致的閾值電壓負向漂移的數(shù)值；也就是說，NMOS器件總劑量退火后，其閾值電壓無法恢復到未輻照前的情況。

而我們從圖2中可以看出，NMOS器件閾值電壓從未輻照時的0.586 V變化到了輻照后的0.524 V，閾值電壓漂移了-0.06 V，但10 000 s熱載流子試驗后，閾值電壓變化到0.791 V，閾值電壓相比于熱載流子試驗前增大了0.26 V，相比于輻照前，閾值電壓則增大了0.2 V?？梢?，NMOS器件在總劑量輻照后進行熱載流子效應，其閾值電壓變化相比于只進行熱載流子試驗，以及只進行總劑量和總劑量輻照效應，其變化值要大得多。由此可見，總劑量輻照和熱載流子的協(xié)同效應使得參數(shù)變化比單一效應時更加明顯，可以說是1+1＞2。

圖5 NMOS器件在常溫ON偏置下輻照與退火前后的Vth變化情況

總劑量輻照和熱載流子協(xié)同效應，使得器件的參數(shù)變化更加明顯，其原因可能是總劑量輻照使得NMOS器件的氧化層靠近Si界面處的Si-Si鍵斷裂，形成懸掛鍵，在總劑量輻照時俘獲空穴，形成帶正電的氧化層陷阱電荷，但在熱載流子測試中，由于熱電子注入氧化層中，懸掛鍵中的空穴被電子復合，并且，由于熱電子的數(shù)量較多，其復合的速度要遠遠大于退火時氧化層陷阱電荷復合的速度，這也使得器件的閾值電壓正向漂移[1-2]；另外，由于總劑量輻照效應，Si-SiO2界面處形成Si-懸掛鍵，俘獲電子，形成輻射感生界面態(tài)電荷，由于輻照后熱載流子測試時，熱電子注入界面處，懸掛鍵俘獲的電子更多，使得界面態(tài)電荷持續(xù)地增加，因此使器件的閾值電壓向正向漂移[3-6]。總劑量和熱載流子試驗前后由氧化層陷阱電荷和界面態(tài)電荷引起的閾值電壓變化情況如圖6所示。從圖6中可以看出，熱載流子試驗時，NMOS器件的氧化層陷阱電荷緩慢地增加，這是由于氧化層陷阱中的空穴電荷被熱電子復合而導致的，但界面態(tài)增加得很快，總劑量輻照導致界面態(tài)的增加而引起閾值電壓變化值為0.03 V，而10 000 s熱載流子試驗卻使得界面態(tài)導致的閾值電壓變化值達到0.2 V，閾值電壓正向漂移值基本上都是由于界面態(tài)的增加而導致的。

圖6 NMOS器件輻照與熱載流子氧化層陷阱電荷與界面態(tài)電荷的變化情況

3 結束語

本文研究了100krad（Si）總劑量輻照對0.35 μm NMOS器件熱載流子效應的影響情況，結果發(fā)現(xiàn)：在經過總劑量輻照后進行熱載流子測試，閾值電壓隨著總劑量的增大而減小，隨著熱載流子測試時間的增大而增大，并且其變化值遠遠地超過未經過總劑量輻照的器件。分析發(fā)現(xiàn)：總劑量輻照對熱載流子效應的影響主要是輻射感生界面陷阱俘獲熱電子形成負的界面態(tài)電荷，導致閾值電壓持續(xù)向正向漂移，并且其數(shù)值遠高于總劑量輻照引起的。

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