馬武英 姚志斌? 何寶平 王祖軍 劉敏波劉靜 盛江坤 董觀濤 薛院院

1)(強脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點實驗室,西安 710024)2)(西北核技術(shù)研究所,西安 710024)

(2017年11月28日收到;2018年2月7日收到修改稿)

對65 nm互補金屬氧化物半導(dǎo)體工藝下不同尺寸的N型和P型金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(NMOSFET和PMOSFET)開展了不同偏置條件下電離總劑量輻照實驗.結(jié)果表明:PMOSFET的電離輻射響應(yīng)與器件結(jié)構(gòu)和偏置條件均有很強的依賴性,而NMOSFET表現(xiàn)出較強的抗總劑量性能;在累積相同總劑量時,PMOSFET的輻照損傷遠大于NMOSFET.結(jié)合理論分析和數(shù)值模擬給出了PMOSFET的輻射敏感位置及輻射損傷的物理機制.

1 引 言

航天器在空間天然輻射環(huán)境中的高可靠、長壽命的需求對系統(tǒng)中電子器件的性能要求很高,需要其具備高性能和強抗輻射能力[1?3].為了滿足空間應(yīng)用需求,新一代航天器等先進裝備采用納米器件已成為必然,而獲得納米器件在空間輻射環(huán)境中的響應(yīng)規(guī)律及損傷物理機制是其空間應(yīng)用的前提[2].

當(dāng)集成電路進入到深亞微米領(lǐng)域時,金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(metal-oxide semiconductor fieldeffect transistor,MOSFET)的總劑量效應(yīng)(total dose effect,TID)表現(xiàn)出一些新的特點[4?8]:柵氧化層越來越薄;由于柵氧化層本身的尺寸和隧穿電流的影響,柵氧化層對MOSFET輻照特性影響很小.氧化層積累輻照產(chǎn)生固定正電荷的能力與氧化層厚度密切相關(guān),厚度越大,積累的固定正電荷越多,而淺槽隔離(shallow trench isolation,STI)氧化層的厚度比柵氧化層約高兩個數(shù)量級,成為MOSFET在長時間輻照作用下受影響最嚴重的區(qū)域,STI退化直接影響N型金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(N-metal-oxide semiconductor field-effect transistor,NMOSFET)漏電流增大,閾值電壓漂移;對于PMOSFET,STI氧化層中輻射感生缺陷并不會導(dǎo)致漏電流增大,但表面區(qū)域載流子濃度的增加會使得有效溝道變窄,表現(xiàn)為閾值電壓的負漂.劉張李等[9]對0.18μm MOSFET總劑量效應(yīng)進行了研究,指出STI氧化層是輻射敏感區(qū)域;Peng等[10]對0.13μm部分耗盡型(partially depleted,PD)硅基(silicon-on-insulator,SOI)NMOSFET的總劑量效應(yīng)開展了研究,指出STI寄生晶體管的閾值電壓決定了器件的抗輻射性能;Ding等[11]對65 nm P型金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(P-metal-oxide semiconductor fieldeffect transistor,PMOSFET)開展了總劑量效應(yīng)研究,指出STI氧化層是造成其輻射損傷的敏感位置,但這一結(jié)論并不能解釋我們看到的實驗現(xiàn)象,即實驗發(fā)現(xiàn)的NMOSFET抗總劑量性能優(yōu)于PMOSFET.此外,對于65 nm工藝尺寸器件,溝道摻雜濃度的提高,致使STI層中感生缺陷對于器件輻射性能的影響越來越弱.輕摻雜漏(lightly doped drain,LDD)工藝是互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)集成電路進入亞微米后應(yīng)用最廣泛的技術(shù),該技術(shù)很好地改善了溝道電場分布,避免了在器件漏端的強場效應(yīng),從而提高了器件的可靠性,而LDD區(qū)域上方側(cè)墻氧化層中輻射感生產(chǎn)物對器件性能退化起著至關(guān)重要的作用[12,13].Gerardin等[14]研究了0.13μm尺寸MOSFET的質(zhì)子輻射響應(yīng),定性地指出輻射在LDD區(qū)域上氧化層和柵氧化層中的感生缺陷是造成PMOSFET性能退化的主要因素.然而,針對65 nm MOSFET的LDD區(qū)是否是其輻射敏感位置以及其輻射損傷的物理機制并未引起關(guān)注.

本文選取65 nm CMOS工藝NMOSFET和PMOSFET為研究對象,開展了總劑量效應(yīng)實驗,并探索了其在不同偏置條件下的輻射響應(yīng).結(jié)合理論分析與數(shù)值仿真研究,獲得了65 nm CMOS工藝NMOSFET和PMOSFET輻射響應(yīng)的物理機制.

2 實驗條件

輻照實驗在西北核技術(shù)研究所60Co γ射線源上進行,實驗樣品是在65 nm CMOS工藝線上流片的不同寬長比的NMOSFET和PMOSFET.對樣品采用兩種偏置進行輻照,詳細偏置信息如表1所列,其中W/L為器件的長寬比;Vg,Vs,Vd分別為柵極、源極和漏極電壓.輻照劑量率為50 rad(Si)/s,分別在300 krad(Si),500 krad(Si)及1 Mrad(Si)時利用半導(dǎo)體參數(shù)測試儀對實驗樣品的轉(zhuǎn)移特性曲線進行測量.

表1 樣品信息及偏置條件Table1.Sample information and bias conditions.

3 實驗結(jié)果

圖1給出了NMOSFET在50 rad(Si)/s的劑量率輻照前后的轉(zhuǎn)移特性曲線的變化趨勢,累積總劑量為1 Mrad(Si).從圖1中可以看出,NMOSFET在輻照前后的轉(zhuǎn)移特性曲線沒有明顯變化.此外,在不同偏置條件下輻照時,NMOSFET的閾值電壓變化量沒有表現(xiàn)出明顯的差異.

圖1 NMOSFET輻照前后轉(zhuǎn)移特性曲線變化趨勢Fig.1.Id-Vgcharacteristics of NMOSFETs before and after exposure to a total dose of 1 Mrad(Si).

圖2給出了PMOSFET輻照前后轉(zhuǎn)移特性曲線的變化趨勢.從圖2中可以看出,PMOSFET在輻照后的閾值電壓發(fā)生了明顯漂移.表2給出了不同偏置條件下,不同工藝尺寸PMOSFET的閾值電壓隨總劑量變化的規(guī)律.從表2可以看出,不同偏置條件下,PMOSFET輻射響應(yīng)存在差異,具體表現(xiàn)為開態(tài)輻照偏置的輻射損傷強于零偏.

圖2 PMOSFET輻照前后轉(zhuǎn)移特性曲線的變化趨勢Fig.2.Id-Vgcharacteristics of PMOSFETs before and after exposure to a total dose of 1 Mrad(Si).

表2 不同偏置條件下,不同工藝PMOSFET閾值電壓輻照前后的變化量Table2.Vthshifts for PMOSFET versus total does at Different channel length and radiation bias conditions.

表3 NMOSFET與PMOSFET的輻射損傷程度比較(TID=1 Mrad(Si))Table3.Comparison of radiation damage in PMOSFET and NMOSFET(TID=1 Mrad(Si)).

4 討 論

65 nm MOSFET總劑量的實驗結(jié)果不同于深亞微米0.18μm MOSFET的實驗結(jié)果,深亞微米MOSFET中STI區(qū)域為輻射敏感區(qū)域,NMOSFET輻照損傷強于PMOSFET,是輻射效應(yīng)研究的熱點[15].然而,從上述65 nm MOSFET實驗結(jié)果中不難看出,PMOSFET的輻射損傷強于NMOSFET,NMOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線在累積總劑量1 Mrad后,并未發(fā)生明顯變化,PMOSFET應(yīng)作為輻射效應(yīng)研究的重點.因此,著重對65 nm NMOSFET和PMOSFET的輻射敏感性進行分析,并結(jié)合數(shù)值仿真定量給出PMOSFET輻射損傷潛在的物理機制;此外,定性分析PMOSFET在不同偏置條件下輻射損傷存在差異的原因.

4.1 PMOSFET及NMOSFET的輻射敏感性分析

表3中給出了不同工藝條件下,NMOSFET和PMOSFET在開態(tài)偏置狀態(tài)下輻照至累積總劑量1 Mrad時閾值電壓的變化百分比(?Vth/Vth-pre×100%).從表3中可以看出,不同工藝條件下的PMOSFET,在總劑量輻照后其閾值電壓均發(fā)生了一定程度的漂移,而NMOSFET并未發(fā)生明顯變化.

以往的研究認為,由于尺寸很小,柵氧化層對納米級MOSFET的輻照特性影響很小.累積輻照在氧化層中產(chǎn)生固定氧化物電荷的能力與氧化層的厚度密切相關(guān),厚度越大,氧化物電荷量越多,STI氧化層的厚度比柵氧化層約高兩個數(shù)量級,成為MOSFET在長時間輻照作用下受影響最嚴重的區(qū)域,STI退化直接影響NMOSFET漏電流增大,閾值電壓漂移;對于PMOSFET,STI氧化層中輻射感生缺陷并不會導(dǎo)致漏電流增大,但表面區(qū)域載流子濃度的增加使得有效溝道變窄,表現(xiàn)為閾值電壓的負漂.據(jù)此可推斷,由于STI氧化層受電離輻射的影響,NMOSFET和PMOSFET均會受到STI退化影響而導(dǎo)致閾值電壓漂移,且NMOSFET的輻射損傷將更為嚴重[6,15].但這一結(jié)論與我們的實驗結(jié)果相矛盾.因此,隨著器件尺寸減小,溝道摻雜濃度的提升,除了STI氧化層造成輻射損傷以外,對于65 nm MOSFET應(yīng)存在其他的輻射敏感位置,才會造成PMOFET損傷更為嚴重.LDD上層氧化層中的輻射感生缺陷是否會成為65 nm MOSFET的輻射損傷敏感位置,將是我們分析的重點.對于納米級MOSFET,LDD對閾值電壓的影響為[16?18]

其中Vth0為未加LDD區(qū)時的閾值電壓,Vds為源和漏極間的電壓;φB=|EF?Ei|/q,EF是費米能級,Ei為本征費米能級.Vbi是LDD區(qū)域與襯底結(jié)上自建電勢,其表達式為

其中NLDD和Nsub分別為LDD區(qū)及襯底區(qū)的摻雜濃度;ni為本征載流子濃度;Leff為溝道有效長度,近似估算為Leff=Lg?2δ·Xj(其Xj為LDD區(qū)結(jié)深,δ為經(jīng)驗參數(shù),Lg為未增加LDD區(qū)域時的溝道長度);l為溝道特征長度.由此可見,MOSFET的閾值電壓與LDD區(qū)的內(nèi)建電勢緊密相關(guān).

電離輻射在LDD上方厚氧化層中感生到了正的氧化物陷阱電荷,相當(dāng)于在LDD上方施加了一個正電壓,若設(shè)該電壓落在LDD與襯底結(jié)間上的電壓為Vox,LDD,則對于NMOSFET和PMOSFET的LDD與襯底結(jié)的內(nèi)建電勢可分別表示為:

依據(jù)半導(dǎo)體器件物理[16,17],對于MOSFET,當(dāng)表面反型時,LDD與襯底結(jié)的內(nèi)建電勢約為2?FP或2?FN(?FP,?FN分別為PMOSFET和NMOSFET襯底的費米勢).因此,對于NMOSFET和PMOSFET,其LDD與襯底結(jié)附近為了達到反型,需要施加的表面勢可分別用(5)式和(6)式表示:

從(5)式和(6)式中可以看出,對于NMOSFET,LDD區(qū)與襯底結(jié)附近表面反型所需要的電壓減小,而在PMOSFET中,該區(qū)域反型所需的電壓增大.

在輻射效應(yīng)測試中,通過測量溝道電流來反推器件的閾值電壓[14].假設(shè)在溝道中間的閾值電壓為Vth0,LDD與襯底結(jié)附近表面反型的電壓為Vth,LDD.在NMOSFET中,Vth,LDD|Vth0|,此時要想測量到溝道電流,只有當(dāng)柵壓Vgs>Vth,LDD時,此時所測的閾值電壓才等于Vth,LDD.因此在實驗現(xiàn)象上表現(xiàn)為NMOSFET的閾值電壓基本不變,而PMOSFET的閾值電壓不斷負漂,最終表現(xiàn)為PMOSFET的輻射損傷比NMOSFET更為嚴重.

利用計算機輔助設(shè)計工具(technology computer aided design,TCAD)建立65 nm MOSFET 2維(2D)模型進行總劑量效應(yīng)的數(shù)值模擬,所用的氧化物陷阱電荷與電場和劑量率的關(guān)系方程如(7)式和(8)式所示:

其中Gox為輻照在氧化層中引起的電荷產(chǎn)生率,g0為電子空穴對的產(chǎn)生率,D′為輻照劑量率,E0=Y0E1,E1=0.65 MV/cm,m=0.9,室溫下Y0=0.05[19,20].

圖3中給出了PMOSFET在輻照前后空穴濃度的梯度分布圖.從圖3可以明顯看出:總劑量輻照后的界面處空穴濃度值(圖3(b))低于未輻照時的仿真結(jié)果(圖3(a)),這進一步驗證了我們的理論分析結(jié)果,即LDD區(qū)上方氧化層中產(chǎn)生的氧化物電荷會改變PMOSFET溝道中空穴濃度.NMOSFET仿真結(jié)果如圖4所示,輻照前后電子濃度梯度分布并未發(fā)生明顯改變,仿真結(jié)果和理論較好地符合.

利用TCAD對NMOSFET和PMOSFET輻照前后的轉(zhuǎn)移特性曲線進行仿真(圖5),結(jié)果表明,PMOSFET在總劑量輻照后閾值電壓發(fā)生漂移(圖5(a)),而NMOSFET轉(zhuǎn)移特性曲線未發(fā)生明顯變化(圖5(b)),仿真結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)在趨勢上能很好地符合.仿真結(jié)果進一步證實了我們的理論分析,電離輻射在65 nm PMOSFET的LDD區(qū)域上方氧化層中感生的缺陷對其輻射響應(yīng)起著決定性的作用,也是其輻射響應(yīng)不同于NMOSFET的關(guān)鍵因素.

圖3 PMOSFET輻照前后空穴濃度梯度截面 (a)輻照前;(b)輻照后Fig.3.Cross-section of PMOSFET indicating hole density affected by radiation-induced oxide trapped charge in LDD spacer:(a)Before radiation;(b)after radiation.

圖4 NMOSFET輻照前后,電子濃度梯度截面 (a)輻照前;(b)輻照后Fig.4.Cross-section of NMOSFET indicating electron density affected by radiation-induced oxide trapped charge in LDD spacer:(a)Before radiation;(b)after radiation.

圖5 MOSFET輻照前后,轉(zhuǎn)移特性曲線的TCAD-2D仿真結(jié)果 (a)PMOSFET;(b)NMOSFET(TID=1 Mrad(Si))Fig.5.Id-Vgcharacteristics of MOSFETs with TCAD-2D simulation:(a)PMOSFET;(b)NMOSFET(TID=1 Mrad(Si)).

4.2 偏置條件對PMOSFET總劑量效應(yīng)的影響

實驗結(jié)果表明,PMOSFET在不同偏置條件下表現(xiàn)出不同的輻射響應(yīng)(表2),在開態(tài)偏置條件下的輻射損傷強于零偏條件.其主要原因是電離輻射在氧化層中感生產(chǎn)物與電場有很強依賴關(guān)系[4],具體表現(xiàn)為:零偏情況下,氧化層電場接近為零,輻射電離所產(chǎn)物的初始電子-空穴對幾乎完全復(fù)合,形成的自由電子及空穴很少,所以氧化物電荷和界面陷阱的形成很少,零偏置條件下的輻射響應(yīng)很弱;對于開態(tài)偏置情況,在氧化層電場作用下,由于空穴和電子遷移率的差異,電離輻射產(chǎn)生的電子-空穴對直接復(fù)合概率大大降低,雖然柵的負壓使電離所形成的空穴向遠離Si/SiO2界面方向輸運,但依然會在氧化層內(nèi)被俘獲,形成遠離界面的正氧化物陷阱電荷,雖然其作用有可能弱于正柵壓情況,但仍強于零偏輻照.

5 結(jié) 論

對65 nm工藝的NMOSFET和PMOSFET開展了不同偏置條件下的總劑量輻照實驗,發(fā)現(xiàn)PMOSFET的輻射損傷強于NMOSFET,結(jié)合理論分析和數(shù)值仿真模擬,可以得出以下結(jié)論:電離輻射在LDD區(qū)域上方氧化層中產(chǎn)生的氧化物陷阱電荷是造成PMOSFET性能退化的主要因素;PMOSFET在不同偏置條件下表現(xiàn)出不同的輻射響應(yīng),主要是由于LDD上方氧化層中電場的影響,開態(tài)偏置下輻射損傷明顯強于零偏條件.研究成果對65 nm MOS晶體管抗輻射加固設(shè)計具有重要參考價值.