商用0.18 μm CMOS工藝抗總劑量輻射性能研究

寇春梅，謝儒彬，洪根深，吳建偉

(中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇無錫214035 )

?

商用0.18 μm CMOS工藝抗總劑量輻射性能研究

寇春梅，謝儒彬，洪根深，吳建偉

(中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇無錫214035 )

摘要：對國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)商用0.18 μm工藝MOSFET和電路進行總劑量效應(yīng)研究。其STI隔離區(qū)域二氧化硅在總劑量達到50k rad(Si)時，端口3.3 V NMOS晶體管漏電達到了10(-9)A級，達到100k rad(Si)以上時，內(nèi)核1.8 V NMOS晶體管出現(xiàn)場區(qū)漏電。通過電路總劑量輻照試驗，表明NMOS晶體管是薄弱點。需要開發(fā)STI場區(qū)總劑量加固技術(shù)，以滿足抗輻射電路研制要求。

關(guān)鍵詞：商用工藝；總劑量；輻射；MOSFET

1　引言

隨著電子元器件在空間環(huán)境中的應(yīng)用日益增多，輻射環(huán)境下電路的失效問題也越來越受到關(guān)注，空間輻射在體硅CMOS器件中引起總劑量輻射效應(yīng)（Total Ionizing Dose effects，TID），造成了元器件的電學(xué)性能退化?？倓┝枯椛湫?yīng)是一個長期導(dǎo)致失效的過程，其影響主要是由于在SiO2中產(chǎn)生氧化陷阱電荷，同時在Si/SiO2界面形成界面態(tài)造成的[1]。

2　現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代以來，國外對于大尺寸以及超深亞微米工藝制造的MOS器件的總劑量輻射效應(yīng)進行了充分的研究[2～4]，形成抗輻射1.0 μm～90 nm體硅及SOI CMOS工藝技術(shù)，抗總劑量水平達到1M rad（Si）以上。國內(nèi)建立了抗輻射1.0 μm～0.35 μm體硅及SOI工藝技術(shù)，抗總劑量水平為100k rad（Si），存在較大差距。

3　近期進展

近年來，商用微電子芯片的總劑量輻射加固技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，部分器件總劑量的失效水平由幾十krad(SiO2)增長到200 krad(SiO2)，如圖1所示為商用CMOS工藝隨著器件特征尺寸的減小，總劑量加固能力的比較[5]。

圖1　CMOS工藝總劑量水平隨特征尺寸減小的發(fā)展趨勢

中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所與中國科學(xué)院特殊環(huán)境功能材料與器件重點實驗室分別研究了國產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)商用0.18 μm工藝寬溝[6]與窄溝[7]MOSFET抗總劑量輻射能力，寬溝器件寬長比為W/L= 10 μm/0.18 μm，窄溝器件寬長比為W/L=0.22 μm/ 20 μm，柵氧化層厚度為3～4 nm，隔離層采用淺溝槽隔離，厚度約為390 nm，工作電壓為1.8 V。輻照偏置條件主要選取ON偏置，即柵壓為1.8 V，漏極、源極和襯底接地。器件輻照實驗用中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所60Coγ射線。

圖2為MOSFET在不同總劑量下電流電壓特性曲線。從圖中可以看出，隨著總劑量的增加，器件漏電流增加。在劑量為100 krad(Si)時，寬溝器件（W/L= 10μm/0.18μm）曲線變化很小，說明該器件在100 krad (Si)仍能保持很好的電學(xué)特性，器件能承受的總劑量在100 krad(Si)以上；而窄溝器件（W/L=0.22 μm/20 μm）漏電流明顯增大，增幅達4個數(shù)量級。之后寬溝器件漏電流變化較為明顯，而窄溝器件趨勢逐漸變緩。當(dāng)總劑量達到500 krad(Si)時，寬溝與窄溝器件的漏電流均達到10-7A。在該劑量下，器件無法正常關(guān)斷，將導(dǎo)致功能失效，靜態(tài)功耗增加。

圖2　MOSFET輻射前后電流-電壓曲線

提取MOSFET不同總劑量下的閾值電壓，如圖3所示。從圖上可以看出，寬溝器件的閾值電壓幾乎不隨總劑量變化，說明0.18 μm工藝MOSFET柵氧化層對總劑量不敏感；而窄溝器件由于輻射感生反窄溝道效應(yīng)，閾值電壓出現(xiàn)變小的趨勢。

圖3　MOSFET閾值電壓隨總劑量變化曲線

4　實驗

中國電子科技集團公司第58研究所對采用國內(nèi)商用0.18 μm工藝的3.3 V NMOS、PMOS單管器件進行輻照試驗，NMOS器件寬長比為W/L=10 μm/ 0.35 μm，PMOS器件寬長比為W/L=10 μm/0.3 μm，輻照偏置為ON偏置，柵極電壓為3.6 V(1.1 Vdd)，漏極、源極和襯底接地。器件輻照實驗用中科院上海應(yīng)用物理研究所60Coγ射線。試驗結(jié)果見表1。

表1　國內(nèi)商用0.18 μm工藝

根據(jù)輻照試驗結(jié)果可以看出，NMOS管在輻照后關(guān)態(tài)漏電流變大，主要原因可能是STI場區(qū)隔離形成正電荷積累，導(dǎo)致STI場區(qū)與源漏接觸部分在輻照后發(fā)生反型，造成源漏漏電。同時可以看出，PMOS管在輻照后Idsat沒有發(fā)生明顯的下降，說明SPACER區(qū)域的抗輻射性能能夠滿足要求。

同時中國電子科技集團公司第58研究所也對采用國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)商用0.18 μm工藝的3.3 V NMOS、1.8 V NMOS單管器件進行輻照試驗，3.3 V NMOS器件寬長比為W/L=10 μm/0.35 μm，1.8 V NMOS器件寬長比為W/L=10 μm/0.18 μm，輻照偏置為ON偏置，柵極電壓為3.6 V/2 V(1.1 Vdd)，漏極、源極和襯底接地。器件輻照實驗用中科院上海應(yīng)用物理研究所60Coγ射線。實驗器件典型轉(zhuǎn)移特性曲線隨總劑量變化關(guān)系如圖4所示。

圖4　實驗器件典型轉(zhuǎn)移特性曲線隨總劑量變化關(guān)系

如圖4所示，3.3 V NMOS晶體管，其在50 krad (Si)劑量點時關(guān)態(tài)漏電流已經(jīng)達到了10-9量級，當(dāng)總劑量累積到500 krad(Si)時，其關(guān)態(tài)漏電流已經(jīng)明顯增加，達到了10-5量級；1.8 V NMOS晶體管在100 krad (Si)劑量點時漏電流都沒有發(fā)生明顯變化，當(dāng)總劑量累積到500 krad(Si)時，其關(guān)態(tài)漏電流達到了10-6量級。以上結(jié)論與其他單位研究所得結(jié)論相一致，其結(jié)果代表了標(biāo)準(zhǔn)商用0.18 μm工藝器件的抗總劑量輻射能力。

對標(biāo)準(zhǔn)商用0.18 μm工藝電路進行了電離總劑量輻照試驗，Vdd1表示3.3 V電源，Vdd2表示1.8 V電源，其輻照情況見表2。

表2　國內(nèi)商用0.18 μm工藝電路總劑量靜態(tài)電流隨總劑量變化表50 rad(Si)/s靜態(tài)偏置100 k

50 rad(Si)/s靜態(tài)偏置150 k后100℃，168 h退火

從上述結(jié)果可以看出，劑量率為50 rad（Si）/s的情況下，100 krad(Si)輻照后靜態(tài)電流發(fā)生明顯增大的現(xiàn)象，超過了規(guī)范要求，如圖5所示的EMMI測試發(fā)現(xiàn)漏電在NMOS晶體管處。增加50％總劑量輻照后，進行100℃168 h退火，其退火后電路靜態(tài)電流下降到正常水平，說明該工藝無法確保電路在高劑量率輻射情況下的抗總劑量輻射性能。

圖5　商用電路總劑量輻照后EMMI測試圖

5　討論

對于MOS集成電路，特別是大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路，MOSFET間的隔離通常靠高閾值的場區(qū)，其氧化層較厚。但是在電離輻射環(huán)境下，輻射損傷與SiO2層的厚度成正比，因此場氧化層在經(jīng)過電離輻射后，將產(chǎn)生更多的正電荷積累。隨著器件特征尺寸的減小，STI隔離已經(jīng)逐步替代了LOCOS隔離，然而總劑量輻射損傷導(dǎo)致的STI隔離失效依然存在，如圖6所示。

STI側(cè)壁SiO2與Si界面處的正電荷積累將會導(dǎo)致STI/襯底界面處的P型硅發(fā)生反型，從而形成漏電通道。根據(jù)圖7所示，在STI隔離結(jié)構(gòu)中，至少存在3條漏電通道，圖7（a）是單個器件側(cè)墻的漏電通道，它將導(dǎo)致亞閾區(qū)漏電電流的增加；圖7（b）是NMOS的源/漏區(qū)通過STI隔離與另一個NMOS漏/源區(qū)的泄漏電流；圖7（c）是NMOS的源/漏區(qū)與N阱之間通過STI隔離形成漏電流。

圖6　STI隔離總劑量損傷示意圖

6　結(jié)論

目前國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)0.18 μm工藝的MOSFET晶體管柵氧化層對總劑量輻射效應(yīng)不敏感，STI場區(qū)抗總劑量能力非常薄弱，3.3 V的端口器件更是如此，器件失效的主要原因來源于STI場區(qū)邊緣漏電。電路總劑量輻照實驗結(jié)果也表現(xiàn)出3.3 V端口電源靜態(tài)電流顯著增加，因此，研制滿足100 krad(Si)的抗輻射電路，需要開發(fā)STI場區(qū)總劑量加固技術(shù)。

參考文獻：

[1] Schwank J R, Shaneyfelt M R, Fleetwood D M, Felix J A, Dodd P E, Paillet P, Ferlet-Cavrois V. Radiation Effects in Mos Oxides [J]. IEEE Trans.on Nuclear Science, 2008, 55 (4):1833-1853.

[2]何寶平，陳偉，王桂珍. CMOS器件60Coγ射線、電子和質(zhì)子電離輻射損傷比較[J].物理學(xué)報，2006，55 (7): 3546-3551.

[3]李冬梅，王志華，皇甫麗英，勾秋靜，雷有華，李國林. NMOS晶體管高劑量率下總劑量輻照特性研究[J].電子器件，2007，30(3):748-751.

[4] Schwank J R, Winokur P S, McWhorter P J, Sexton F W, Dressendorfer P V, Turpin D C. Physical mechanisms contributing to device 'rebound' [J]. IEEE Trans on Nuclear Science,1984,31: 1434-1438.

[5] P E Dodd, M R Shaneyfelt, J R Schwank, et al. Future Changes in radiation Effects [C]. 10th European Conference on radiation Effects on Components and Systems, 2009.

[6]劉張李，胡志遠(yuǎn)，張正選，邵華，寧冰旭，畢大煒，陳明，鄒世昌. 0.18 μm MOSFET器件的總劑量輻照效應(yīng)[J].物理學(xué)報，ActaPhys Sin，2011，60(11).

[7]吳雪，陸嫵，王信，席善斌，郭旗，李豫東. 0.18 μm窄溝NMOS晶體管總劑量效應(yīng)研究[J].物理學(xué)報，ActaPhys Sin，2013，62(13).

寇春梅（1980—），女，河北衡水人，2002年畢業(yè)于四川大學(xué)微電子學(xué)專業(yè)，2011年北京大學(xué)軟件工程碩士畢業(yè)，主要研究方向為微電子制造技術(shù)。

圖7　STI隔離中漏電通道示意圖

Study of Commercial 0.18μm CMOS Total Ionizing Dose Effects

KOU Chunmei, XIE Rubin, HONG Genshen, WU Jianwei
（China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute, Wuxi 214035,China）

Abstract：The paper focused on the total ionizing dose effects of commercial fabrication process MOSFETs and circuits. When irradiation runs up to 50k rad (Si) , The STI oxide traps a large number of positive charges. It leads IO NMOSFETs' leakage currents reach nanoamps. When irradiation runs up to 100k rad (Si), Core NMOSFETs leakage currents become obviously. The IO NMOSFETs are vulnerable. The STI oxide needs radiation hard to meet radiation-hardened circuits manufacture.

Keywords：commercial fabrication process; total ionizing dose; radiation; MOSFET

作者簡介：

收稿日期：2015-11-7

中圖分類號：TN406

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1681-1070（2016）04-0040-05