65nm n溝MOSFET的重離子輻照徑跡效應(yīng)研究*

高婷婷，王 玲，蘇 凱，馬 瑤，袁 菁，龔 敏,

（1.四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610064；2.微電子技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610064）

1 引言

航天器在飛行中，遇到的離子環(huán)境是十分復(fù)雜的，其中重離子約占粒子總數(shù)的1.3%。對(duì)重離子輻照效應(yīng)，過去十幾年人們主要關(guān)心由電離輻射引起的“單粒子翻轉(zhuǎn)”，并已經(jīng)發(fā)展了有效的抗輻射加固技術(shù)。徑跡是高能粒子和電子相互作用，能量轉(zhuǎn)移產(chǎn)生的熱效應(yīng)導(dǎo)致的沿粒子徑跡的晶體局域相變[1]。許多研究已經(jīng)觀測(cè)到高能重離子輻照能夠在聚合物、半導(dǎo)體、絕緣體和金屬材料中產(chǎn)生直徑為幾到幾十納米、貫穿深度很大（幾十微米）的納米管狀徑跡[2,3]。特別的，D.Fink等人利用TEAMS結(jié)構(gòu)（類似于MOS管結(jié)構(gòu)）模擬出低注量的高能粒子束能夠在500 nm厚的SiO2層中明顯誘生漏電流，但是其數(shù)量級(jí)是皮安（pA）級(jí)[4]。因此面對(duì)航天器中應(yīng)用最為廣泛的器件，納米級(jí)的MOS器件長(zhǎng)期暴露在空間環(huán)境中可能會(huì)經(jīng)過宇宙射線中重離子的輻照誘生出粒子徑跡線，若此徑跡線形成電離溝道跨過MOS器件的某一界面勢(shì)壘層，就會(huì)產(chǎn)生明顯的電流電壓變化；且“徑跡溝道效應(yīng)”會(huì)隨著器件尺寸的進(jìn)一步減小，集成度的不斷增加，電參數(shù)要求的不斷提高和空間應(yīng)用可靠性要求的提高而變得重要，此影響不可忽視。

本文利用Geant4軟件對(duì)兩種高能重離子在65 nm n溝MOSFET中徑跡沉積能量進(jìn)行模擬研究分析。基于中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所重離子加速器HIRFLCSR的條件，對(duì)設(shè)計(jì)的65nm n溝MOSFET器件進(jìn)行Sn離子輻照實(shí)驗(yàn)，將輻照前后的各電學(xué)參數(shù)作一分析討論。

2 Geant4模擬過程及結(jié)果分析

重離子入射到靶物質(zhì)中時(shí)，通過入射帶電粒子和靶原子中的電子連續(xù)多次地碰撞發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，重離子的能量會(huì)發(fā)生損失，同時(shí)速度也會(huì)減慢。當(dāng)靶物質(zhì)足夠厚，最終會(huì)使它的能量全部耗盡，停留在靶物質(zhì)當(dāng)中。對(duì)于高能重離子來(lái)說，它和靶物質(zhì)的相互作用主要是與核外電子發(fā)生非彈性碰撞時(shí)的能量損失，通過能量沉積產(chǎn)生熱效應(yīng)，瞬時(shí)的高溫導(dǎo)致粒子徑跡晶體局域相變。

有相關(guān)報(bào)道中指出絕緣體的電子能損閾值為1～10 KeV/nm[5]。Olli H.Pakarinen等人用經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)模擬得出用27～185 MeV的高能Au單粒子輻照2 μm厚的無(wú)定形SiO2，當(dāng)在無(wú)定形SiO2中電子能損為3.6 KeV/nm時(shí)，即會(huì)形成半徑為2 nm的管狀徑跡[6]，能量沉積越大，徑跡長(zhǎng)度和半徑都會(huì)增加；當(dāng)電子能損達(dá)到18 KeV/nm時(shí)，會(huì)產(chǎn)生完全中空結(jié)構(gòu)半徑為5 nm的圓柱形徑跡[7]。我們模擬的65 nm n溝MOSFET氧化層厚度是2.35 nm，相比于Olli H Pakarinen等人用分子動(dòng)力學(xué)模擬的SiO2厚度非常薄，因此在此結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生徑跡的總能量沉積值會(huì)小于18 KeV/nm。

我們用10～30 KeV的小能量Au和Sn單粒子垂直入射1 nm厚SiO2層，得到Au和Sn在SiO2中產(chǎn)生徑跡的的能量沉積分別為23 KeV/nm和16 KeV/nm，這與分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果接近。因此Geant4可以很好地進(jìn)行重離子徑跡模擬。

2.1 Geant4中NMOS結(jié)構(gòu)模型的實(shí)現(xiàn)

為了給實(shí)驗(yàn)提供參考性數(shù)據(jù)而專門設(shè)計(jì)了65 nm的MOSFET結(jié)構(gòu)，采用的是中芯國(guó)際65 nm工藝數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)際工藝中，多晶硅上層有金屬層、介質(zhì)隔離層及鈍化層，因此我們模擬中將填埋的8層金屬用Cu替代，隔離層用SiO2替代，模擬中所用NMOS工藝參數(shù)如下：隔離層厚度8.43 μm，金屬層厚度1.72 μm，多晶硅層厚度100 nm，柵氧化層厚度2.35 nm，溝道寬為130 nm，長(zhǎng)度65 nm，W/L=2。由此數(shù)據(jù)在Geant4中構(gòu)建的NMOS模型如圖1所示。

圖1 NMOS模型圖

本文采用的兩種重離子分別是Sn和Au，每次只從正上方垂直入射一個(gè)重離子，入射能量250～700 MeV，步長(zhǎng)50 MeV。

2.2 模擬結(jié)果及分析

Sn和Au離子在不同入射能量下經(jīng)過鈍化層、隔離層、金屬層及多晶硅層射入SiO2層的剩余能量A如表1所示。

表1 兩種粒子入射能量及A點(diǎn)能量

圖2是不同入射能量的兩種離子在65 nm n溝MOSFET的SiO2層中的能量沉積圖。

Sn離子當(dāng)入射能量是350 MeV時(shí)，A點(diǎn)能量為173 MeV，在SiO2中的能量沉積值為8 KeV/nm，說明選取的能量足以在SiO2中產(chǎn)生徑跡。 對(duì)于不同種類的重離子，都遵從電子能損超過閾值越多，越會(huì)在一個(gè)圓柱形區(qū)域內(nèi)形成徑跡，且徑跡越趨近于直線。徑跡的形貌與能量沉積、入射離子種類、入射能量、靶材料的厚度及工藝等因素有關(guān)。

由圖2得出，不同離子在SiO2層的能量沉積不同，Au離子相較于Sn離子沉積能量大。根據(jù)量子理論，推導(dǎo)出的重帶電粒子在靶材料中的電子阻止能力的表達(dá)式為[8]：

其中，β=v/c，c是光速，I是靶原子的平均激發(fā)電離能，I的值近似為I=I0Z，I0≈10 eV。對(duì)于原子序數(shù)Z≥13的靶物質(zhì)，I0較??；而對(duì)于原子序數(shù)Z＜13的靶物質(zhì)，I0稍大些，I0≈13Z eV。因此，靶物質(zhì)對(duì)重離子的阻止本領(lǐng)只與它的N和Z有關(guān)，即原子序數(shù)和密度越高，這種材料對(duì)重離子的阻止能力越強(qiáng)，重離子在此靶物質(zhì)中的總能量沉積越大。

圖2 不同離子在氧化層中沉積能量值

各離子在SiO2層的能量沉積起初是隨著能量的升高而升高，Au在大約650 MeV，Sn在大約350 MeV處表現(xiàn)出極大值，而后隨能量的增大反而減小，這與俘獲截面有關(guān)，俘獲截面強(qiáng)烈地依賴于它所處的能量位置。Sn在除了能量200～400 MeV區(qū)間之外，俘獲截面都隨能量增加而衰減。

3 輻照實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)樣品為65 nm工藝n溝MOSFET陣列，柵氧化層厚度2.35 nm，電源電壓為1.2 V，采用共柵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，源端和襯底接地，ESD靜電保護(hù)。輻照實(shí)驗(yàn)用中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所重離子加速器HIRFL-CSR，采用Sn同位素，相對(duì)原子質(zhì)量為112，單核能3.7 MeV/u，單個(gè)離子能量為414 MeV，注量率為109ions/cm2·s，輻照實(shí)驗(yàn)無(wú)外加電源。由于樣品面積較小，且重離子入射存在概率問題，因此我們研究的仍是單個(gè)離子的行為。對(duì)65 nm器件分別采用1010ions/cm2、1011ions/cm2兩種注量，保證柵面積上至少入射一個(gè)重離子。由于重離子入射能量較大，因此入射的準(zhǔn)直性很好。

3.1 閾值電壓

下面提取出輻照前后MOSFET的閾值電壓，如圖3所示。

圖3 輻照前后器件的轉(zhuǎn)移特性曲線

從圖3中可以看出，當(dāng)Sn離子注量在1010ions/cm2及1011ions/cm2時(shí)，器件的閾值電壓相對(duì)于輻照前負(fù)向漂移。

其中，ΔVt是氧化物俘獲的空穴電荷引起的閾值電壓變化，fy（E,Eox）是空穴產(chǎn)額（即未被復(fù)合的空穴部分），D是輻射注量，tox是氧化層厚度。當(dāng)柵上加正偏壓時(shí)，空穴向SiO2-Si界面附近移動(dòng)，產(chǎn)生的空穴由于遷移率較小，相對(duì)于電子來(lái)說是不動(dòng)的，在氧化層被陷阱俘獲的空穴電荷就會(huì)引起閾值電壓向負(fù)方向偏移，但是總體輻照前后閾值電壓變化不大。單粒子輻照所產(chǎn)生的徑跡在柵面積所占的比例很小，因此對(duì)Vt影響不大。

從圖3中提取出輻照前、輻照注量為1010ions/cm2、1011ions/cm2下MOSFET的跨導(dǎo)gm值分別是3.06×10-5S、3.03×10-5S、2.88×10-5S，輻照之后，跨導(dǎo)沒有發(fā)生明顯的變化，說明遷移率變化不大，輻照過程中沒有產(chǎn)生明顯的界面態(tài)電荷。因此，閾值電壓及跨導(dǎo)的變化主要都是徑跡效應(yīng)產(chǎn)生的。

3.2 電流變化

圖4為n溝MOSFET在不同注量下電流電壓特性曲線圖，其中Ids為MOSFET漏極至源極電流，Vgs為柵極掃描電壓。從圖中可以看出，漏電流隨著注量增加而不斷增大。在注量為1011ions/cm2時(shí)，器件的漏電流達(dá)到10-5A，比輻照前的漏電流10-8A高出三個(gè)數(shù)量級(jí)。在該注量下，器件不能正常關(guān)斷，將導(dǎo)致功能失效，靜態(tài)功耗增加。

在同一注量下，隨著柵壓的增大，漏電流在不斷增大。電路在實(shí)際的運(yùn)用中，柵電壓也會(huì)不斷變化，因此，惡劣的輻照偏置條件將會(huì)在一定程度上降低器件的抗輻照能力。

圖5是n溝MOSFET柵漏電流隨注量變化曲線圖。從圖中可以看出，隨著輻照注量的增加，柵漏電流明顯增大。且在注量達(dá)到1011ions/cm2時(shí)，器件的柵漏電流達(dá)到10-5A，比輻照前的柵漏電流10-10A高出五個(gè)數(shù)量級(jí)，因此該注量下，器件的柵氧化層破壞較為嚴(yán)重，預(yù)估計(jì)在柵氧化層中產(chǎn)生了較大尺寸的徑跡，徑跡效應(yīng)產(chǎn)生了電流變化。

圖4 MOSFET輻照前后電流電壓特性曲線

圖5 MOSFET輻照前后柵極漏電流隨柵壓變化曲線

4 結(jié)論

通過65nm n溝MOSFET器件的模擬及輻照實(shí)驗(yàn)表明，我們的入射能量足以在MOSFET的柵氧化層引入“徑跡溝道”，產(chǎn)生的電荷能夠引起電流/電壓變化，Ids和Ig明顯增大，器件性能退化嚴(yán)重。

航天器在宇宙環(huán)境中飛行時(shí)遭遇到的重離子能量通常很高，尤其隨著微電子芯片集成度越來(lái)越高，靈敏單元尺寸和間距越來(lái)越小，這種重離子徑跡效應(yīng)對(duì)小尺寸MOS器件造成的影響更是值得關(guān)注的。

但是，重離子輻照對(duì)MOSFET電學(xué)特性影響的微觀細(xì)節(jié)機(jī)理尚不清楚，還需要進(jìn)一步地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和分析驗(yàn)證。

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