不同型號(hào)PMOSFETs的劑量率效應(yīng)研究

蘭 博 郭 旗 孫 靜 崔江維 李茂順 費(fèi)武雄 陳 睿 趙 云

1（中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所，新疆電子信息材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 烏魯木齊 830011）

2（中國(guó)科學(xué)院研究生院 北京 100049）

1991年Enlow等[1]發(fā)現(xiàn)雙極器件的低劑量率損傷增強(qiáng)效應(yīng)(Enhanced Low-dose-rate Sensitivity,ELDRS)，此后各國(guó)開展了這一領(lǐng)域的大量研究[1–4]。MOS器件的劑量率效應(yīng)曾被認(rèn)為是時(shí)間相關(guān)效應(yīng)(Time-dependent Effect, TDE)[5]，即高劑量率輻照器件的室溫退火時(shí)間與低劑量率輻照器件的輻照時(shí)間相同，就可模擬后者的輻照損傷。2003年，Kim等人[6]發(fā) 現(xiàn) PMOSFETs (p-channel metal oxide semiconductor field-effect transistors)器件中也存在ELDRS效應(yīng)，此后的研究也證實(shí)某些 PMOSFETs器件存在ELDRS效應(yīng)[6–8]。作為PMOS輻射劑量計(jì)的探頭，PMOSFETs應(yīng)用于空間低劑量率(10–6–10–4Gy(Si)/s)輻射環(huán)境探測(cè)中[9]，而實(shí)驗(yàn)室劑量標(biāo)定的劑量率遠(yuǎn)大于空間劑量率，高低劑量率輻照對(duì)PMOSFETs的損傷差異會(huì)影響劑量計(jì)標(biāo)定的準(zhǔn)確性，影響其空間應(yīng)用。因此，有必要對(duì)PMOSFETs器件的劑量率效應(yīng)作進(jìn)一步研究。

雙極器件的ELDRS效應(yīng)研究表明[1–4]，器件結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝以及偏置條件等與 ELDRS效應(yīng)的產(chǎn)生均有密切的關(guān)系。為考察這些因素對(duì)PMOSFETs器件的ELDRS效應(yīng)，我們選取五種PMOSFETs器件進(jìn)行對(duì)比研究。結(jié)果表明，PMOSFETs器件的ELDRS效應(yīng)因器件而異，也有器件未觀察到ELDRS效應(yīng)。

1 材料與方法

實(shí)驗(yàn)樣品為意大利ST公司的HCF4007UB、國(guó)產(chǎn)非加固的 CC4007B以及日本 NEC公司的3SJ11A、2SJ196和 2SJ178。具體的結(jié)構(gòu)和封裝形式見表1。

樣品在中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所的大(1×1015Bq)、小(3.7×1013Bq)60Co γ源上進(jìn)行室溫輻照，劑量率為 5×10–4、0.3 或 0.5 Gy(Si)/s，總劑量為500或700 Gy(Si)。劑量體系為CaF2熱釋光劑量計(jì)。輻照和退火過程中加0 V或–10 V偏置，管腳連接見表 2。輻照及退火實(shí)驗(yàn)均為三樣品平行。離線移位測(cè)試數(shù)據(jù)，每次測(cè)試在20 min內(nèi)完成。

表1 5種不同型號(hào)器件的結(jié)構(gòu)和封裝Table 1 Structure and packaging for five types of devices.

表2 實(shí)驗(yàn)中的偏置條件及器件管腳連接Table 2 Bias and connection.

用PC機(jī)和美國(guó)惠普公司的HP4142B、HP4140半導(dǎo)體參數(shù)分析儀以及HP3488矩陣箱，測(cè)試器件在輻照及退火時(shí)的亞閾I–V特性曲線。對(duì)0.3和0.5 Gy(Si)/s輻照器件進(jìn)行了與 5×10–4Gy(Si)/s輻照器件輻照等時(shí)的室溫退火。

2 結(jié)果與討論

不同型號(hào)器件閾值電壓的負(fù)向漂移量均隨累積劑量增加，但各器件對(duì)劑量率和偏置條件的響應(yīng)特性不同。下文以集成CMOS工藝器件為例，給出其劑量率變化規(guī)律。

圖1與圖2分別為國(guó)產(chǎn)CC4007B和ST公司HCF4007UB的閾值電壓漂移(?Vth)測(cè)試結(jié)果。

由圖1(a)，在相同總劑量條件下，加偏CC4007B的?Vth遠(yuǎn)大于不加偏器件。負(fù)偏條件下，劑量率對(duì)?Vth未見影響；零偏條件下，大劑量率輻照器件的?Vth為小劑量率下的～1.4倍。圖1(b)表明，室溫退火后高劑量率輻照器件的?Vth發(fā)生回漂，在零偏下表現(xiàn)出時(shí)間相關(guān)效應(yīng)(TDE)。

由圖2(a)，HCF4007UB在不同偏置條件的輻照響應(yīng)特性幾乎未見變化。且每種偏置條件下都表現(xiàn)出相同的劑量率效應(yīng)，即低劑量率輻照器件的?Vth大于高劑量率，零偏下為～1.2倍，負(fù)偏下為～1.3倍。由圖 2(b)室溫退火后，零偏下輻照器件的?Vth在退火25 h內(nèi)繼續(xù)負(fù)漂，隨后開始回漂；負(fù)偏下器件則一直負(fù)漂，但是兩種偏壓下最終漂移量都未達(dá)到低劑量率輻照結(jié)束時(shí)的程度，即零偏和負(fù)偏下均表現(xiàn)出ELDRS效應(yīng)。

所有器件的劑量率響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果列于表3。

表3 不同型號(hào)器件、不同偏置條件下的劑量率輻照結(jié)果Table 3 Dose-rate effects of various types at different biasing conditions.

圖1 不同偏置條件下CC4007B的閾值電壓漂移隨輻照總劑量(a)及室溫退火時(shí)間(b)的變化Fig.1 ?Vth of CC4007B biased at 0 V or –10 V vs (a) total dose and (b) annealing time at room temperature.

圖2 不同偏置條件下HCF4007UB的閾值電壓漂移隨輻照總劑量(a)及室溫退火時(shí)間(b)的變化Fig.2 ?Vth of HCF4007UB biased at 0 V or –10 V vs (a) total dose and (b) annealing time at room temperature.

由表 3，不同器件對(duì)偏置條件和劑量率的響應(yīng)特性明顯不同，即使同一廠家的獨(dú)立單管器件，型號(hào)不同，劑量率的響應(yīng)規(guī)律也不完全相同。這可能與器件制造的特征工藝參數(shù)(如氧化層厚度，摻雜濃度等)和工藝條件(如氧化和退火條件等)有關(guān)。然而，不同器件在偏置上表現(xiàn)出相對(duì)一致的規(guī)律性，HCF4007UB的偏置規(guī)律開始是個(gè)例外，但當(dāng)累積劑量為700 Gy(Si)時(shí)，其出現(xiàn)負(fù)偏漂移大于零偏的趨勢(shì)(圖 2a)，若再增加累積劑量，可以預(yù)見也會(huì)表現(xiàn)出一致的偏置規(guī)律，這需待后續(xù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

現(xiàn)有研究表明[6–8]，MOSFETs器件在電離輻射下有兩種劑量率效應(yīng)：ELDRS或 TDE，這主要可歸結(jié)為下列微觀過程的共同作用(括弧內(nèi)為各過程的時(shí)間長(zhǎng)度)[10]：(1) 輻射感生的氧化物正電荷形成(ms–s)；(2) 感生界面態(tài)的形成(s–a)；(3) 感生氧化物電荷的退火(s–a)；(4) 感生界面態(tài)的退火(輻照后的長(zhǎng)時(shí)間)。

相同總劑量條件下，高劑量率的輻照時(shí)間短，輻照過程中氧化物陷阱正電荷的產(chǎn)生過程起主要作用；低劑量率輻照時(shí)間長(zhǎng)，氧化物陷阱正電荷的產(chǎn)生、退火和界面態(tài)的產(chǎn)生同時(shí)發(fā)生。而感生和退火是相互競(jìng)爭(zhēng)的微觀過程，競(jìng)爭(zhēng)結(jié)果會(huì)出現(xiàn)高低劑量率的輻照損傷一樣(如 2SJ196、2SJ178)，或低劑量率的損傷大于高劑量率的損傷(如HCF4007UB)，也會(huì)出現(xiàn)高劑量率的損傷大于低劑量率損傷(如CC4007B、3SJ11A)，最終的結(jié)果取決于競(jìng)爭(zhēng)雙方生成量的多少和生成速度的快慢，即氧化物陷阱正電荷和界面態(tài)在輻照過程中的產(chǎn)生率和生成量以及氧化物陷阱正電荷退火的量和速率。

這些因素和器件本身的工藝(如氧化層厚度、柵氧的氧化及退火條件和摻雜濃度等)以及輻照過程中的內(nèi)建和外加電場(chǎng)有著密切的關(guān)系。如氧化層厚度會(huì)直接影響 H+的輸運(yùn)，而輻照感生的界面態(tài)與H+的產(chǎn)生及輸運(yùn)過程密切相關(guān)[8,11,12]。如果氧化層過厚，就可能在氧化層中產(chǎn)生空間電場(chǎng)，阻礙 H+向界面處輸運(yùn)。而且在Si/SiO2界面處因氧化物陷阱正電荷的生成而產(chǎn)生的內(nèi)建電場(chǎng)的快慢和強(qiáng)弱也會(huì)對(duì)H+的輸運(yùn)產(chǎn)生很大的影響，從而進(jìn)一步影響界面態(tài)的產(chǎn)生。柵氧的氧化及退火條件不同會(huì)導(dǎo)致氧化層中缺陷的濃度差異，進(jìn)而對(duì)氧化物陷阱電荷的飽和生成量產(chǎn)生影響。

空穴陷阱薄層模型[13]認(rèn)為，外加電場(chǎng)的改變會(huì)導(dǎo)致建立在 SiO2中的空穴俘獲區(qū)和空穴俘獲率的不同，影響氧化物陷阱正電荷的產(chǎn)生；同時(shí)外加電場(chǎng)的極性和大小的不同，會(huì)改變Si/SiO2界面電子勢(shì)壘的高度，使隧穿進(jìn)入SiO2中電子數(shù)量不同，從而影響氧化物陷阱正電荷的隧道退火，且這種退火方式在氧化物陷阱正電荷的室溫退火中占主導(dǎo)作用。同時(shí)氧化物陷阱電荷的退火也將減弱在界面處阻礙H+輸運(yùn)的電場(chǎng)。因此，伴隨著氧化物陷阱電荷的退火，電場(chǎng)阻礙作用進(jìn)一步減弱，大量的H+繼續(xù)輸運(yùn)至界面形成界面態(tài)。此時(shí)，界面態(tài)的后生長(zhǎng)和氧化物陷阱正電荷的退火是一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)過程，結(jié)果會(huì)使閾值電壓繼續(xù)負(fù)漂，或者回漂(圖2b)。而當(dāng)外加電場(chǎng)為零時(shí)(零偏)，輻照過程中產(chǎn)生的電子空穴對(duì)會(huì)很快復(fù)合，使得在零偏條件下氧化物陷阱電荷和界面態(tài)的產(chǎn)生都要少于負(fù)偏下的產(chǎn)生量，即相同的輻照總劑量條件下，負(fù)偏的漂移量要大于零偏(表3)。

綜上所述，由于不同型號(hào)器件的結(jié)構(gòu)和工藝差異，導(dǎo)致了上述復(fù)雜微觀過程相互競(jìng)爭(zhēng)的不同結(jié)果，在輻照實(shí)驗(yàn)的宏觀過程中表現(xiàn)出復(fù)雜的劑量率效應(yīng)和偏置規(guī)律。而實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了結(jié)構(gòu)和工藝對(duì)器件劑量率和偏置響應(yīng)規(guī)律的影響。

3 結(jié)論

通過5種PMOSFETs器件的劑量率效應(yīng)的統(tǒng)計(jì)性對(duì)比研究，可得到如下結(jié)論：

(1) 相同劑量率下，負(fù)偏條件下閾值電壓的漂移量要大于零偏下的漂移量。但部分型號(hào)器件在相同偏置條件下的劑量率效應(yīng)不同。

(2) 普通 PMOSFETs器件(HCF4007UB)存在ELDRS效應(yīng)，且不同的輻照偏置條件下均有ELDRS效應(yīng)。

(3) 并非所有的 PMOSFETs器件都有 ELDRS效應(yīng)。器件工藝、結(jié)構(gòu)不同，偏置條件不同會(huì)產(chǎn)生不同的劑量率效應(yīng)，甚至沒有劑量率效應(yīng)。因此，影響PMOSFETs器件ELDRS效應(yīng)的復(fù)雜因素，還需進(jìn)一步深入研究。

1 Enlow E W, Pease R L, Combs W E.IEEE Trans Nucl Sci,1991, 38(6): 1342–1351

2 Graves R J, Cirba C R, Schrimpf R D, et al.IEEE Trans Nucl Sci, 1998,45(6): 2352–2360

3 Witczak S C, Lacoe R C, Mayer D C, et al.IEEE Trans Nucl Sci, 1998,45(6): 2339–2352

4 Perhenkov V S, Maslov V B, Cherepko S V, et al.IEEE Trans Nucl Sci, 1997,44(6): 1840–1849

5 Fleetwood D M, Winokur P S, Schwank J R.IEEE Trans Nucl Sci, 1988, 35(6): 1497–1505

6 Kim S J, Seon J H, Min K W, et al.2003 Presented at the Radiation Effect on Components and Systems Conference(RADECS), Netherlands, 2003

7 Kim S J, Min K W, Shin Y H, et al.IEEE Trans Nucl Sci,2002,49(6): 2818–2821

8 孫靜, 郭旗, 張軍, 等.微電子學(xué), 2009, 39(1): 128–131 SUN Jing, GUO Qi, ZHANG Jun, et al.Microelectronics,2009, 39(1): 128–131

9 Titus J L, Combs W E, Turflinger T L, et al.IEEE Trans Nucl Sci, 1998,45(6): 2673–2680

10 Ma T P, Dressendorfer P V.Ionizing radiation effects in MOS devices and circuits.Canada: John Wiley & Sons,1989.159–163, 218–223, 286–292

11 Mclean F B.IEEE Trans Nucl Sci, 1980, 27(6):1651–1657

12 Saks N S, Klein R B, Griscom D L.IEEE Trans Nucl Sci,1988, 35(6): 1234–1240

13 Freeman R, Holmes-Siedle A.IEEE Trans Nucl Sci, 1978,25(6): 1216–1225