彭超 恩云飛 李斌 雷志鋒 張戰(zhàn)剛 何玉娟 黃云

1)(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(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 510610)2)(華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院,廣州 510006)(2018年7月16日收到;2018年8月20日收到修改稿)

基于60Co γ射線源研究了總劑量輻射對(duì)絕緣體上硅(silicon on insulator,SOI)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件的影響.通過(guò)對(duì)比不同尺寸器件的輻射響應(yīng),分析了導(dǎo)致輻照后器件性能退化的不同機(jī)制.實(shí)驗(yàn)表明:器件的性能退化來(lái)源于輻射增強(qiáng)的寄生效應(yīng);淺溝槽隔離(shallow trench isolation,STI)寄生晶體管的開(kāi)啟導(dǎo)致了關(guān)態(tài)漏電流隨總劑量呈指數(shù)增加,直到達(dá)到飽和;STI氧化層的陷阱電荷共享導(dǎo)致了窄溝道器件的閾值電壓漂移,而短溝道器件的閾值電壓漂移則來(lái)自于背柵閾值耦合;在同一工藝下,尺寸較小的器件對(duì)總劑量效應(yīng)更敏感.探討了背柵和體區(qū)加負(fù)偏壓對(duì)總劑量效應(yīng)的影響,SOI器件背柵或體區(qū)的負(fù)偏壓可以在一定程度上抑制輻射增強(qiáng)的寄生效應(yīng),從而改善輻照后器件的電學(xué)特性.

1 引 言

隨著絕緣體上硅(silicon on insulator,SOI)技術(shù)廣泛地應(yīng)用在航天領(lǐng)域,其輻射效應(yīng)受到了廣泛的關(guān)注[1?4].當(dāng)電子元器件長(zhǎng)期工作在輻射環(huán)境下時(shí),伴隨著輻射劑量不斷累積將產(chǎn)生總劑量效應(yīng),表現(xiàn)為器件介質(zhì)層中形成大量的陷阱電荷,最終導(dǎo)致器件性能的永久退化[5,6].由于SOI器件全介質(zhì)隔離的結(jié)構(gòu),使得其對(duì)總劑量效應(yīng)尤其敏感.

SOI金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(metaloxide-semiconductor filed-effect transistor,MOSFET)器件中主要的介質(zhì)層包括柵氧、淺溝槽隔離(shallow trench isolation,STI)和絕緣氧化埋(buried oxide,BOX)層.研究表明輻射感應(yīng)的氧化層陷阱電荷正比于氧化層厚度[7].在深亞微米工藝下,器件的柵氧變得非常薄(小于10 nm),總劑量輻照在柵氧層中產(chǎn)生的影響有限,甚至可以忽略不計(jì).但是STI和BOX氧化層通常都很厚,對(duì)總劑量效應(yīng)非常敏感[8].國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了大量STI和BOX層陷阱電荷對(duì)器件性能影響的研究,但大部分工作都是針對(duì)體硅器件單獨(dú)研究STI氧化層對(duì)總劑量效應(yīng)的貢獻(xiàn)[9?13],或者針對(duì)無(wú)邊緣的SOI器件單獨(dú)研究BOX層對(duì)總劑量效應(yīng)的貢獻(xiàn)[14?17],而且以輻照后器件電學(xué)性能退化的定性分析為主.實(shí)際上SOI器件的總劑量效應(yīng)來(lái)自于STI和BOX層中陷阱電荷共同作用的結(jié)果,輻照后器件性能退化可能來(lái)自于兩者的共同貢獻(xiàn),也可能僅僅來(lái)自于其中之一,對(duì)其加以區(qū)分將有助于開(kāi)展針對(duì)性的加固措施.

SOI MOSFET器件中包含STI邊緣寄生晶體管和背柵寄生晶體管.盡管半導(dǎo)體器件工藝會(huì)盡量削弱這些寄生效應(yīng)[18],但輻射感應(yīng)的陷阱電荷卻會(huì)導(dǎo)致這些寄生效應(yīng)的增強(qiáng),從而對(duì)主晶體管的電學(xué)性能產(chǎn)生影響.本文重點(diǎn)研究了輻射對(duì)SOI器件中寄生效應(yīng)的影響.針對(duì)不同尺寸SOI器件中觀察到的不同性能退化現(xiàn)象,結(jié)合物理模型和TCAD器件仿真給出了詳細(xì)的定性和定量分析,確定了導(dǎo)致SOI器件性能退化的機(jī)制;分別研究了背柵和體區(qū)加負(fù)偏壓對(duì)器件總劑量效應(yīng)的影響.

2 實(shí)驗(yàn)描述

實(shí)驗(yàn)樣品采用130 nm部分耗盡SOI工藝制造,器件頂層硅厚度為80 nm,BOX層厚度為145 nm.因?yàn)樵谕还に囅螺斎?輸出器件比核心器件對(duì)總劑量效應(yīng)更敏感,其性能退化更加明顯,因此本文實(shí)驗(yàn)所用器件均為輸入/輸出N型金屬氧化物半導(dǎo)體(n-channel metal-oxide-semiconductor,NMOS)器件,寬長(zhǎng)比為10μm/10μm,10μm/0.35μm,0.15μm/10μm,0.15μm/0.35μm.其柵氧厚度約為7 nm,工作電壓為3.3 V.場(chǎng)氧隔離采用高密度等離子體氧化物填充的STI.STI的底部與BOX層直接相連,構(gòu)成全介質(zhì)隔離結(jié)構(gòu).器件采用T型柵結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)體區(qū)引出.器件沿溝道長(zhǎng)度和寬度方向的截面圖如圖1所示.該器件的源漏區(qū)貫穿整個(gè)頂層硅,與BOX層相連.由圖1(b)可看到,除了前柵主晶體管MFG外,該器件結(jié)構(gòu)還包含一個(gè)背柵寄生晶體管MBG和一個(gè)STI寄生晶體管MSTI.寄生晶體管MBG和MSTI分別以BOX層和STI氧化層為柵氧,與主晶體管有相同的溝道長(zhǎng)度.

輻照實(shí)驗(yàn)采用60Co γ射線作為輻照源.劑量率為100 rad(Si)/s.輻照實(shí)驗(yàn)所有測(cè)試樣品采用雙列直插陶瓷封裝.輻照過(guò)程中器件處于ON偏置狀態(tài),即柵端加3.3 V正偏壓,漏端、源端、體接觸端和背柵接地.輻照前后利用Keithley 4200半導(dǎo)體參數(shù)分析儀測(cè)試器件的轉(zhuǎn)移特性曲線.所有測(cè)試在30 min內(nèi)完成以避免輻照退火效應(yīng)的影響;整個(gè)輻照和測(cè)試過(guò)程均在室溫下進(jìn)行.本文中所有的閾值電壓均根據(jù)峰值跨導(dǎo)法提取,即器件閾值電壓為

其中Vg和Id為跨導(dǎo)最大值對(duì)應(yīng)的柵端電壓和漏端電流,Vd為器件工作在線性區(qū)的漏端電壓.

圖1 SOI MOSFET器件結(jié)構(gòu) (a)沿溝道長(zhǎng)度截面圖;(b)沿溝道寬度截面圖Fig.1.Device structure of SOI MOSFET:(a)Cross-section along channel length;(b)cross-section along channel width.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 輻射增強(qiáng)的寄生效應(yīng)

圖2顯示了四種不同寬長(zhǎng)比的SOI NMOS器件經(jīng)ON偏置輻照后,前柵的轉(zhuǎn)移特性和跨導(dǎo)特性隨輻照劑量的變化.在轉(zhuǎn)移特性測(cè)試過(guò)程中,器件背柵和體接觸接地.經(jīng)30 krad(Si)輻照后,器件關(guān)態(tài)漏電流(對(duì)應(yīng)Vfg=0 V時(shí)的Ids)顯著增加,特別是對(duì)于寬長(zhǎng)比為10μm/0.35μm的器件.但此時(shí)的泄漏電流受到前柵電壓的調(diào)制,表現(xiàn)為轉(zhuǎn)移特性曲線的亞閾值區(qū)出現(xiàn)“駝峰”現(xiàn)象[19].在30 krad(Si)以上,泄漏電流隨著總劑量的增加而繼續(xù)增加,而且亞閾值區(qū)的“駝峰”現(xiàn)象逐漸消失,表現(xiàn)為泄漏電流幾乎不受前柵電壓的控制.圖3顯示了輻照后器件關(guān)態(tài)漏電流隨總劑量的變化.在80 krad(Si)以下(對(duì)于10μm/0.35μm的器件為50 krad(Si)),關(guān)態(tài)漏電流近似隨總劑量呈指數(shù)增加.而在80 krad(Si)以上,關(guān)態(tài)漏電流隨總劑量緩慢增加,近似趨于飽和.當(dāng)總劑量達(dá)到100 krad(Si)時(shí),10μm/0.35μm,0.15μm/0.35μm,0.15μm/10μm和10μm/10μm四種不同尺寸器件的關(guān)態(tài)漏電流相比于輻照前分別增加了5.1×106,6.4×106,4.0×105和1.4×106倍.

圖2 不同寬長(zhǎng)比(W/L)SOI器件輻照前后的轉(zhuǎn)移特性和跨導(dǎo)曲線 (a)W/L=10μm/0.35μm;(b)W/L=0.15μm/0.35μm;(c)W/L=0.15μm/10μm;(d)W/L=10μm/10μmFig.2.Transfer characteristics and transconductances of SOI n-MOSFETs with different width-length-ratio(W/L)before and after irradiation:(a)W/L=10μm/0.35μm;(b)W/L=0.15μm/0.35μm;(c)W/L=0.15μm/10μm;(d)W/L=10μm/10μm.

圖3 歸一化的關(guān)態(tài)漏電流隨總劑量的變化,其中歸一化的關(guān)態(tài)漏電流定義為輻照前后的關(guān)態(tài)漏電流之比Fig.3.Normalization o ff-state leakage current as a function of total dose. The normalization o ff-state leakage is defined as Idsat Vfg=0 after irradiation divided by the value before irradiation.

輻照后關(guān)態(tài)漏電流的增加與寄生晶體管的開(kāi)啟有關(guān).如圖1所示,一個(gè)SOI MOSFET可視為主晶體管MFG,STI寄生晶體管MSTI和背柵寄生晶體管MBG的并聯(lián).輻照在STI氧化層或BOX層中產(chǎn)生的正陷阱電荷會(huì)降低寄生晶體管的閾值電壓,使得在Vfg=0 V時(shí)本來(lái)應(yīng)該處于關(guān)斷狀態(tài)的寄生晶體管無(wú)法關(guān)斷,從而產(chǎn)生較大的關(guān)態(tài)漏電流.由于本實(shí)驗(yàn)中觀察到的關(guān)態(tài)漏電流明顯受前柵電壓控制,輻照后關(guān)態(tài)漏電流的增加更可能來(lái)自于MSTI的開(kāi)啟[19].這是因?yàn)槠骷嗑Ч钖艜?huì)覆蓋溝道附近的STI氧化層區(qū)域,前柵電壓的電場(chǎng)會(huì)延伸到STI氧化層,從而對(duì)STI寄生晶體管產(chǎn)生調(diào)制作用,但其對(duì)背柵寄生晶體管的影響可以忽略不計(jì).當(dāng)總劑量較小時(shí),寄生晶體管MSTI的閾值電壓漂移也較小,在Vfg=0 V時(shí)寄生晶體管還未完全開(kāi)啟,工作在亞閾值區(qū).則此時(shí)器件關(guān)態(tài)漏電流可表示為[20]

當(dāng)總劑量達(dá)到80 krad(Si)以上時(shí),寄生晶體管MSTI完全開(kāi)啟,此時(shí)關(guān)態(tài)漏電流可表示為

其中VT,STI為STI寄生晶體管的閾值電壓.可以看到,當(dāng)總劑量較小、寄生晶體管未完全開(kāi)啟時(shí),VT,STI隨總劑量的增加而減小,關(guān)態(tài)漏電流表現(xiàn)為指數(shù)增加.當(dāng)總劑量較大、寄生晶體管完全開(kāi)啟時(shí),VT,STI隨總劑量的增加而減小,關(guān)態(tài)漏電流表現(xiàn)為線性增加并趨于飽和.這與實(shí)驗(yàn)觀察到的結(jié)果完全一致.

由圖2的跨導(dǎo)曲線可以看到,10μm/0.35μm,0.15μm/0.35μm和0.15μm/10μm三種尺寸的器件出現(xiàn)了明顯的閾值電壓漂移.100 krad(Si)時(shí),三種器件的閾值電壓漂移分別為?41.1,?170.5和?83.8 mV.閾值電壓的減小同時(shí)導(dǎo)致了跨導(dǎo)峰值的增加.值得注意的是,10μm/10μm的器件在輻照后沒(méi)有出現(xiàn)類似的跨導(dǎo)變化,閾值電壓的漂移幾乎可以忽略.輻照導(dǎo)致的柵氧正陷阱電荷積累會(huì)導(dǎo)致器件的閾值電壓負(fù)向漂移.10μm/10μm的器件輻照后沒(méi)有出現(xiàn)跨導(dǎo)和閾值退化,證明柵氧中的輻射感應(yīng)陷阱電荷可以忽略不計(jì).由于四種器件具有相同的柵氧厚度,這也說(shuō)明其他三種器件中觀察到的閾值電壓漂移不是來(lái)源于柵氧的輻射感應(yīng)陷阱電荷.

在0.15μm/0.35μm和0.15μm/10μm兩種窄溝道器件中觀察到了最明顯的閾值電壓漂移.該閾值漂移可能來(lái)源于STI氧化層陷阱電荷導(dǎo)致的耗盡區(qū)電荷共享,如圖4(a)所示.對(duì)于一個(gè)SOI器件,其導(dǎo)通時(shí)由前柵電壓控制的耗盡區(qū)寬度為Xdm.輻照后,STI氧化層中的正陷阱電荷也會(huì)導(dǎo)致附近的有源區(qū)耗盡,該耗盡區(qū)寬度記為XSTI.在器件溝道寬度方向靠近STI的區(qū)域,兩個(gè)耗盡區(qū)之間存在電荷共享,這意味著前柵耗盡區(qū)并不完全由前柵電壓控制,有一部分受STI氧化層中的輻射感應(yīng)陷阱電荷控制.假設(shè)無(wú)STI電荷共享時(shí)的柵控耗盡區(qū)為矩形區(qū)域,面積為(W×Xdm),耗盡區(qū)電荷量為Qb;共享耗盡區(qū)面積記為S0,考慮電荷共享時(shí)的有效柵控耗盡區(qū)面積則為(W×Xdm?S0),有效柵控耗盡區(qū)電荷量為Q′b.則有

輻照后,因電荷共享導(dǎo)致的閾值電壓漂移可表示為

其中,W為器件溝道寬度;εSi為硅的介電常數(shù);NA為器件體區(qū)摻雜濃度;?F為費(fèi)米電勢(shì).XSTI會(huì)隨著總劑量的增加而增加,因此輻射導(dǎo)致的閾值電壓漂移也會(huì)隨總劑量的增加而增加.當(dāng)STI寄生晶體管完全開(kāi)啟時(shí),XSTI達(dá)到最大值,可由下式計(jì)算:

圖4 (a)STI氧化層陷阱電荷導(dǎo)致的耗盡區(qū)電荷共享;(b)BOX層陷阱電荷導(dǎo)致的背柵耦合Fig.4.(a)Depletion region charge sharing induced by STI trapped-charge;(b)back gate coupling induced by BOX trapped-charge.

實(shí)驗(yàn)器件的體區(qū)摻雜濃度NA近似為3×1017cm?3.根據(jù)(5)和(6)式,可計(jì)算溝道寬度W=0.15μm的器件中因STI電荷共享導(dǎo)致的最大閾值電壓為?125.4 mV;對(duì)于溝道寬度W=10μm的器件則為1.9 mV,可以忽略不計(jì).這與實(shí)驗(yàn)觀察到的結(jié)果一致.0.15μm/10μm器件觀察到的閾值漂移小于?125.4 mV,是因?yàn)槠銼TI寄生晶體管還沒(méi)有完全開(kāi)啟.0.15μm/0.35μm器件觀察到的閾值漂移大于?125.4 mV,是因?yàn)槌薙TI電荷共享外還有其他機(jī)制導(dǎo)致閾值電壓漂移,將在下文討論.

輻照后BOX層中的正陷阱電荷也會(huì)導(dǎo)致其附近的體區(qū)耗盡,形成背柵耗盡區(qū)Xbg,如圖4(b)所示.在器件閾值附近,如果背柵耗盡區(qū)Xbg與前柵耗盡區(qū)Xdm重疊,則部分耗盡器件變?yōu)槿谋M器件,即

此時(shí),BOX層中的正陷阱電荷會(huì)耦合到前柵,導(dǎo)致器件閾值電壓負(fù)向漂移.對(duì)于本實(shí)驗(yàn)所選用的體區(qū)摻雜濃度為3×1017cm?3器件,前柵和背柵的最大耗盡區(qū)寬度約為62.2 nm.兩者之和大于器件頂層硅厚度tSi(80 nm),理論上滿足發(fā)生背柵耦合的條件.Xbg會(huì)隨著B(niǎo)OX層中輻射感應(yīng)陷阱電荷密度的增加而增加,直到達(dá)到最大耗盡區(qū)寬度.只有當(dāng)Xbg增加到滿足(7)式時(shí),背柵耦合才會(huì)發(fā)生,即觀察到閾值電壓漂移.

圖5(a)和圖5(b)顯示了ON偏置下不同柵長(zhǎng)的SOI器件中輻射感生電荷密度在整個(gè)BOX層中的分布.該結(jié)果由Sentaurus TCAD仿真得到[21].圖中黃色區(qū)域代表輻射感生電荷較多的區(qū)域.可以看到,輻射感生電荷主要集中在BOX層與硅的界面附近.其中溝道區(qū)以下BOX層與體區(qū)界面附近的陷阱電荷對(duì)器件總劑量效應(yīng)的影響最大.相比于長(zhǎng)溝道器件(柵長(zhǎng)為1μm),柵長(zhǎng)為0.35μm的短溝道器件中,BOX層輻射感應(yīng)電荷更加集中在此區(qū)域.圖5(c)顯示了BOX層與體區(qū)界面以下10 nm處,BOX層中的輻射感生電荷產(chǎn)生率沿溝道長(zhǎng)度方向的分布.對(duì)應(yīng)短溝道和長(zhǎng)溝道器件,溝道中心位置以下的BOX層中輻射感生電荷產(chǎn)生率分別為1.0×1014cm?3·s?1和4.0×1013cm?3·s?1. 在相同的總劑量下,短溝道器件BOX層中更多的陷阱電荷形成,導(dǎo)致了短溝道器件更易發(fā)生背柵耦合.這可以解釋為何溝道長(zhǎng)度為0.35μm的器件中觀察到了背柵耦合導(dǎo)致的閾值電壓漂移,而溝道長(zhǎng)度為10μm的器件沒(méi)有觀察到.

圖5 BOX層中輻射感應(yīng)電荷密度分布 (a)柵長(zhǎng)L為0.35μm的器件;(b)柵長(zhǎng)L為1μm的器件;(c)不同柵長(zhǎng)器件中對(duì)應(yīng)于切割線位置處的輻射感應(yīng)電荷密度對(duì)比,其中橫坐標(biāo)為歸一化距離,0和1分別對(duì)應(yīng)于靠近源和漏的位置Fig.5.Radiation-induced charge distribution in BOX:(a)Device with gate length of 0.35μm;(b)device with gate length of 1μm;(c)radiation-induced charge density at the cutting line for devices with different gate lengths.The x-axis is normalization distance,where 0 and 1 correspond to the positions near source and drain,respectively.

可以得到結(jié)論,10μm/0.35μm器件輻照后的閾值電壓漂移主要來(lái)源于背柵耦合;0.15μm/10μm器件的閾值漂移來(lái)源于STI的電荷共享;而0.15μm/0.35μm器件受到兩種效應(yīng)的共同作用,因此出現(xiàn)了最嚴(yán)重的閾值電壓退化.同樣工藝下,小尺寸器件對(duì)總劑量效應(yīng)更敏感.

3.2 背柵負(fù)偏壓對(duì)寄生效應(yīng)的影響

氧化層中輻射感應(yīng)的正陷阱電荷導(dǎo)致了器件性能的退化,因此可以考慮在背柵施加負(fù)偏壓來(lái)抵消正陷阱電荷的影響,從而削弱寄生效應(yīng)的影響.圖6(a)為經(jīng)100 krad(Si)輻照后,10μm/0.35μm的SOI器件在不同背柵偏壓下的前柵轉(zhuǎn)移特性曲線.在轉(zhuǎn)移特性測(cè)試過(guò)程中,器件體接觸接地.輻照后,背柵負(fù)偏壓能有效抑制輻照誘發(fā)的器件泄漏電流.在?10 V的背柵負(fù)偏壓下,器件關(guān)態(tài)漏電相比于未加負(fù)偏壓的器件下降了四個(gè)數(shù)量級(jí).

圖6(b)顯示了該器件輻照前后的背柵轉(zhuǎn)移特性曲線.在測(cè)試過(guò)程中,器件前柵和體接觸均接地.該背柵轉(zhuǎn)移特性曲線為背柵寄生晶體管和STI寄生晶體管轉(zhuǎn)移特性曲線的疊加.由于STI寄生晶體管閾值電壓更低,因此會(huì)先于背柵寄生晶體管開(kāi)啟,表現(xiàn)為背柵轉(zhuǎn)移特性曲線上出現(xiàn)一個(gè)“駝峰”.輻照后,STI和BOX層中的大量正陷阱電荷分別導(dǎo)致STI和背柵寄生晶體管I-V曲線出現(xiàn)了明顯的負(fù)向漂移.當(dāng)總劑量達(dá)到100 krad(Si)時(shí),正是因?yàn)镾TI寄生晶體管在Vbg=0 V時(shí)開(kāi)啟,其開(kāi)啟電流疊加到正柵主晶體管,使得主晶體管關(guān)態(tài)漏電流增加.由圖6(b)可以看到,如果在?10—0 V范圍內(nèi)給背柵施加一個(gè)負(fù)偏壓,可以使STI寄生晶體管由開(kāi)啟狀態(tài)進(jìn)入亞閾值狀態(tài),使得疊加到主晶體管的關(guān)態(tài)漏電流降低(如圖6(a)所示).

圖6 (a)100 krad(Si)輻照后不同背柵偏壓下10μm/0.35μm器件的前柵轉(zhuǎn)移特性曲線;(b)10μm/0.35μm器件輻照前后的背柵轉(zhuǎn)移特性曲線Fig.6.(a)Front gate transfer characteristics of 10μm/0.35μm device with different back gate biases after 100 krad(Si)irradiation;(b)back gate transfer characteristics of 10μm/0.35μm device before and after irradiation.

為了中和STI氧化層正陷阱電荷的影響,抑制STI寄生晶體管的開(kāi)啟,所加的背柵負(fù)偏壓須滿足以下條件:

其中QSTI為STI氧化層中輻射感應(yīng)的陷阱電荷密度,CSTI為STI寄生晶體管等效柵電容,tSTI為等效柵氧厚度.由于STI氧化層的特殊形貌,STI寄生晶體管的等效柵氧厚度并不是恒定值.如圖7所示,當(dāng)背柵加偏壓時(shí),其產(chǎn)生的電場(chǎng)開(kāi)始于背柵,終止于體區(qū),可近似認(rèn)為以圖中O點(diǎn)為圓心呈圓弧分布[22].因此,STI寄生晶體管的等效柵氧厚度可以認(rèn)為是沿電場(chǎng)方向的一段圓弧,如圖7中的tSTI,則有

其中td為從O點(diǎn)到STI側(cè)壁某點(diǎn)的距離,如圖7所示.由(8)和(9)式可以得到:在靠近背柵的STI底部區(qū)域,td較小,為了抑制STI寄生晶體管的開(kāi)啟所需加的背柵負(fù)偏壓也小;在靠近STI頂部區(qū)域,td逐漸增加,為了抑制漏電所需的背柵負(fù)偏壓也越來(lái)越大.在本實(shí)驗(yàn)中,背柵加?10 V的偏壓時(shí),可以有效抑制STI底部區(qū)域的導(dǎo)電溝道.但背柵偏壓對(duì)STI頂部區(qū)域的影響要小得多,靠近STI頂部區(qū)域的寄生晶體管仍然開(kāi)啟,從而產(chǎn)生泄漏電流.由于靠近前柵,該泄漏電流明顯受到前柵電壓的調(diào)制,因此表現(xiàn)為器件前柵轉(zhuǎn)移特性曲線亞閾值區(qū)出現(xiàn)“駝峰”現(xiàn)象.該實(shí)驗(yàn)結(jié)果也從側(cè)面證明,STI底部區(qū)域的寄生導(dǎo)電是導(dǎo)致大劑量下器件關(guān)態(tài)漏電流增加的最主要原因,因此背柵負(fù)偏壓抑制了STI底部區(qū)域寄生晶體管開(kāi)啟時(shí)器件的關(guān)態(tài)漏電流大幅下降.

由圖6(a)可以看到,在Vbg=?5 V下測(cè)試時(shí),由于背柵耦合導(dǎo)致的閾值電壓負(fù)向漂移也會(huì)消失.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,可以利用背柵加負(fù)偏壓來(lái)中和BOX層正陷阱的影響.根據(jù)背柵耦合發(fā)生的條件可以推導(dǎo)出,當(dāng)所加背柵負(fù)偏壓滿足如下條件時(shí),能完全抑制輻射導(dǎo)致的背柵耦合效應(yīng):

其中CBOX為背柵寄生晶體管的單位面積柵電容;QBOX為BOX層中的輻射感應(yīng)等效陷阱電荷密度;Qc為導(dǎo)致背柵耦合發(fā)生的臨界電荷密度,即當(dāng)BOX層中的陷阱電荷密度為Qc時(shí),SOI器件正好進(jìn)入全耗盡狀態(tài),滿足Xdm+Xbg=tSi.對(duì)于實(shí)驗(yàn)用器件,可計(jì)算Qc=8.54×10?8C/cm2.根據(jù)100 rad(Si)輻照后背柵寄生晶體管的閾值電壓漂移,可提取出QBOX為1.19×10?7C/cm2.由(10)式可計(jì)算,經(jīng)100 krad(Si)輻照后,在背柵加絕對(duì)值大于1.4 V的負(fù)偏壓即可消除輻射導(dǎo)致的背柵耦合效應(yīng).

圖7 背柵的STI寄生晶體管示意圖Fig.7.STI parasitic transistor at back gate.

3.3 體區(qū)負(fù)偏壓對(duì)寄生效應(yīng)的影響

輻照后,STI寄生晶體管閾值電壓負(fù)向漂移,最終導(dǎo)致器件關(guān)態(tài)漏電流增加.STI寄生晶體管與主晶體管共用體區(qū),因此可以考慮在體區(qū)加負(fù)偏壓,利用襯偏效應(yīng)提高STI寄生晶體管的閾值,從而削弱總劑量效應(yīng)的影響.

圖8 輻照前和50 krad(Si)輻照后不同體區(qū)偏壓下前柵器件的轉(zhuǎn)移特性曲線 (a)器件尺寸10μm/0.35μm;(b)器件尺寸10μm/10μmFig.8.Transfer characteristics of the front gate device with different body biases before and after 50 krad(Si)irradiation:(a)10μm/0.35μm device;(b)10μm/10μm device.

圖8顯示了輻照前后不同體區(qū)偏壓下SOI器件的轉(zhuǎn)移特性曲線.對(duì)于10μm/0.35μm的器件,輻照前Vb<0時(shí)的I-V曲線相比于Vb=0時(shí)發(fā)生了正向漂移.由于襯偏效應(yīng)的影響,體區(qū)加負(fù)偏壓使得器件反型時(shí)的耗盡層寬度增加,從而導(dǎo)致了器件閾值電壓增加.當(dāng)Vb=?0.6 V時(shí)前柵耗盡區(qū)已經(jīng)增加到與頂層硅厚度相等,器件處于全耗盡狀態(tài),|Vb|的增加無(wú)法導(dǎo)致耗盡區(qū)的繼續(xù)增加,I-V曲線不隨著|Vb|增加繼續(xù)向右漂移.輻照后體區(qū)負(fù)偏壓對(duì)10μm/0.35μm器件的轉(zhuǎn)移特性幾乎無(wú)影響.根據(jù)前面的分析,輻照后10μm/0.35μm的器件已經(jīng)處于全耗盡狀態(tài),體區(qū)負(fù)偏壓已經(jīng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)耗盡區(qū)寬度的調(diào)制,因此I-V曲線也沒(méi)有出現(xiàn)類似輻照前的正向漂移.與短溝道器件不同,10μm/10μm的器件體區(qū)加負(fù)偏壓會(huì)導(dǎo)致輻照后I-V曲線的正向漂移.這進(jìn)一步驗(yàn)證了前面的結(jié)果,10μm/10μm器件的體區(qū)在輻照后沒(méi)有全耗盡.因此能通過(guò)體區(qū)負(fù)偏壓調(diào)制耗盡區(qū)的寬度,從而增加正柵主晶體管和STI寄生晶體管的閾值電壓.STI寄生晶體管閾值的增加,導(dǎo)致50 krad(Si)輻照后器件關(guān)態(tài)漏電流減小了一個(gè)數(shù)量級(jí).但由于SOI器件的頂層硅厚度(即體區(qū)厚度)為固定值且很薄,襯偏效應(yīng)對(duì)STI寄生晶體管閾值電壓的調(diào)制范圍非常有限.

圖9 (a)輻照后溝道寬度為10μm的器件體區(qū)接地和接負(fù)偏壓時(shí)耗盡區(qū)的仿真結(jié)果;(b)體區(qū)接地和加負(fù)偏壓時(shí),沿著切割線A和B處的輻射感應(yīng)反型層電子密度;切割線A對(duì)應(yīng)于STI邊緣,切割線B對(duì)應(yīng)于遠(yuǎn)離STI邊緣的體區(qū)內(nèi)部,其中0μm對(duì)應(yīng)于前柵溝道,0.1μm對(duì)應(yīng)于背柵溝道附近Fig.9.(a)Simulation results of the deletion regions with body biased at 0 V and?1 V after irradiation;(b)electron density along cutting line A and B with different body biases.The cutting line A corresponds to the STI sidewall,cutting line B corresponds to the region far away from STI sidewall.Distance of 0μm corresponds to the front gate channel,and distance of 0.1μm corresponds to the BOX/body interface.

為了進(jìn)一步驗(yàn)證體區(qū)負(fù)偏壓對(duì)輻射效應(yīng)的影響,圖9(a)給出了輻照后溝道長(zhǎng)度為10μm的器件體區(qū)接地和接負(fù)偏壓時(shí)耗盡區(qū)的TCAD仿真結(jié)果.圖中顯示的仿真結(jié)構(gòu)為沿溝道寬度方向的縱向切面二維結(jié)構(gòu).仿真過(guò)程中前柵和背柵接地.STI/體區(qū)和BOX/體區(qū)界面加上面密度為1×1012cm?2的固定正電荷用以模擬輻照感應(yīng)的氧化層陷阱電荷.可以看到,STI和BOX中輻照感應(yīng)的正陷阱電荷會(huì)導(dǎo)致STI邊緣和背柵附近的體區(qū)耗盡甚至反型,從而形成寄生導(dǎo)電溝道.當(dāng)體區(qū)加?0.6 V的偏壓時(shí),耗盡區(qū)展寬,導(dǎo)致此時(shí)中性體區(qū)消失,部分耗盡器件變成全耗盡.此時(shí)體區(qū)耗盡層寬度即為體區(qū)厚度,不受體區(qū)電壓的調(diào)節(jié).圖9(b)顯示了體區(qū)負(fù)偏壓對(duì)STI邊緣和背溝道附近感應(yīng)電子密度的影響.可以看到,在相同的陷阱電荷密度下,STI邊緣底部區(qū)域附近的電子密度遠(yuǎn)大于頂部區(qū)域和BOX附近的電子密度.這是因?yàn)镾TI底部尖角導(dǎo)致電場(chǎng)的聚集,較大的電場(chǎng)強(qiáng)度導(dǎo)致更多的反型電子形成.這也說(shuō)明STI寄生晶體管更易反型,側(cè)面驗(yàn)證了輻照后器件的關(guān)態(tài)漏電流增加主要是由STI寄生導(dǎo)電造成的.體區(qū)加?0.6 V偏壓時(shí),STI邊緣頂部區(qū)域附近的感應(yīng)電子密度有所降低,而底部區(qū)域附近的感應(yīng)電子密度與體區(qū)接地時(shí)的相差不多,這證明在STI寄生晶體管完全開(kāi)啟(強(qiáng)反型)時(shí),體區(qū)負(fù)偏壓對(duì)STI寄生晶體管的耗盡區(qū)調(diào)制非常有限.相對(duì)而言,體區(qū)負(fù)偏壓對(duì)背柵寄生晶體管耗盡區(qū)的調(diào)制作用更明顯,因此背溝道寄生導(dǎo)電有明顯的削弱.

4 結(jié) 論

本文針對(duì)不同尺寸的SOI器件開(kāi)展了60Co γ射線總劑量輻照實(shí)驗(yàn).所有尺寸的器件在輻照后都出現(xiàn)了關(guān)態(tài)泄漏電流的增加,這與STI寄生晶體管的開(kāi)啟有關(guān).在總劑量較小時(shí),STI寄生晶體管處于亞閾值狀態(tài),導(dǎo)致關(guān)態(tài)漏電流隨總劑量呈指數(shù)增加;當(dāng)總劑量足夠大時(shí),STI寄生晶體管完全開(kāi)啟,關(guān)態(tài)漏電流逐漸趨于飽和.輻射導(dǎo)致的閾值電壓漂移呈現(xiàn)出明顯的器件尺寸相關(guān)性.窄溝道器件因STI陷阱電荷共享產(chǎn)生明顯的閾值電壓漂移,短溝道器件的閾值漂移則來(lái)自于背柵閾值耦合,而大尺寸器件幾乎無(wú)閾值電壓漂移.SOI器件背柵負(fù)偏壓能有效中和氧化層陷阱電荷的影響,對(duì)器件關(guān)態(tài)漏電流和背柵耦合導(dǎo)致的閾值電壓漂移有一定的改善作用.體區(qū)負(fù)偏壓也能對(duì)寄生晶體管的閾值電壓進(jìn)行調(diào)制,達(dá)到器件加固的目的,但受限于頂層硅的厚度,該調(diào)制作用非常有限.