抗輻射0.18 μm NMOS器件熱載流子效應(yīng)研究

謝儒彬，張慶東，紀(jì)旭明，吳建偉，洪根深

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇無(wú)錫 214072）

抗輻射0.18 μm NMOS器件熱載流子效應(yīng)研究

謝儒彬，張慶東，紀(jì)旭明，吳建偉，洪根深

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇無(wú)錫 214072）

基于0.18 μm CMOS工藝開(kāi)發(fā)了抗總劑量輻射加固技術(shù)，制備的1.8 V NMOS器件常態(tài)性能良好，器件在500 krad(Si)劑量點(diǎn)時(shí)，閾值電壓與關(guān)態(tài)漏電流無(wú)明顯變化。研究器件的熱載流子效應(yīng)，采用體電流Isub/漏電流Id模型評(píng)估器件的HCI壽命，壽命達(dá)到5.75年，滿足在1.1 Vdd電壓下工作壽命大于0.2年的規(guī)范要求。探索總劑量輻射效應(yīng)與熱載流子效應(yīng)的耦合作用，對(duì)比輻照與非輻照器件的熱載流子損傷，器件經(jīng)輻照并退火后，受到的熱載流子影響變?nèi)酢Ｔu(píng)估加固工藝對(duì)器件HCI可靠性的影響，結(jié)果表明場(chǎng)區(qū)總劑量加固工藝并不會(huì)造成熱載流子損傷加劇的問(wèn)題。

輻射加固；總劑量效應(yīng)；熱載流子效應(yīng)；0.18 μm

1 引言

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，微電子元器件在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用日益廣泛，器件在空間輻射環(huán)境中將面臨抗輻射可靠性與自身可靠性的雙重考驗(yàn)[1]，使得器件的可靠性成為微電子技術(shù)中尤為重要的一個(gè)方面。因此，需要開(kāi)展空間應(yīng)用中元器件的可靠性研究，以保證航空航天電子系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性。

微電子制造技術(shù)已經(jīng)向著納米尺寸迅速發(fā)展，在MOS器件的溝道長(zhǎng)度、結(jié)深和柵氧厚度等尺寸等比例縮小的同時(shí)，電源電壓卻未能隨之等比減小，這樣會(huì)導(dǎo)致溝道區(qū)的橫向和縱向電場(chǎng)的顯著增加。在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，器件中的載流子平均動(dòng)能超過(guò)了熱平衡載流子的平均動(dòng)能，載流子從電場(chǎng)獲得的能量不能及時(shí)通過(guò)散射等途徑傳遞到周圍晶格，導(dǎo)致一部分載流子的能量大于晶格系統(tǒng)的能量，比費(fèi)米能級(jí)大幾個(gè)kT以上，一般稱這種狀態(tài)的載流子為熱載流子。當(dāng)載流子的能量達(dá)到或超過(guò)Si-SiO2界面勢(shì)壘時(shí)，便會(huì)注入到氧化層中，產(chǎn)生界面態(tài)、氧化層陷阱或被陷阱所俘獲[2]。熱載流子效應(yīng)可以導(dǎo)致閾值電壓漂移，漏電流和跨導(dǎo)降低，還將產(chǎn)生襯底電流、柵極電流等非工作電流，使器件性能退化，以致最終失效，引起所謂的“熱載流子可靠性問(wèn)題”。因而熱載流子效應(yīng)將阻礙超大規(guī)模集成電路的進(jìn)一步發(fā)展。

另一方面，MOS器件在總劑量電離輻射的影響下，會(huì)導(dǎo)致氧化層中產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，由于電子有著相對(duì)較高的遷移率，所以能很快地移出氧化層，而空穴移動(dòng)較慢，當(dāng)其移動(dòng)到Si-SiO2界面時(shí)，會(huì)被陷阱俘獲成為正氧化物電荷，同時(shí)在界面處，弱鍵在電離輻射作用下斷裂成懸掛鍵從而感生出界面態(tài)，正氧化物電荷和界面態(tài)共同影響閾值電壓的漂移方向及其大小。

由此可以發(fā)現(xiàn)，在空間環(huán)境應(yīng)用下，N型MOS器件將同時(shí)受到總劑量輻射效應(yīng)和熱載流子效應(yīng)的雙重影響，兩種效應(yīng)都存在累積性，都會(huì)造成器件電學(xué)參數(shù)的退化。由此可以認(rèn)定器件的總劑量輻射損傷與熱載流子損傷之間具有一定的相關(guān)性，且兩者同時(shí)造成的損傷并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的線性疊加，因此對(duì)這兩種效應(yīng)進(jìn)行深入的研究可以有效提高在空間環(huán)境應(yīng)用下器件的可靠性。

目前對(duì)MOS器件中的熱載流子退化壽命及可靠性的預(yù)測(cè)已開(kāi)始進(jìn)入了實(shí)用階段。國(guó)際上對(duì)熱載流子效應(yīng)的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：(1)熱載流子及其產(chǎn)生的陷阱的確認(rèn)和建模，如HU提出的幸運(yùn)電子模型[3]；(2)研究?jī)?yōu)化器件熱載流子效應(yīng)的新型結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法[4]；(3)研究超深亞微米CMOS器件中各種失效機(jī)理的耦合作用[5]；(4)研究不同溫度條件下的熱載流子失效機(jī)理[6]。其中，為了更好地滿足復(fù)雜環(huán)境下應(yīng)用的需求，不同損傷機(jī)制之間的耦合效應(yīng)也越來(lái)越受到人們的關(guān)注。

根據(jù)我們之前的研究，0.18 μm CMOS工藝總劑量輻射導(dǎo)致的損傷主要源于STI場(chǎng)區(qū)部分正電荷的積累，造成STI/襯底界面處的P型硅反型，導(dǎo)致STI側(cè)壁的寄生管開(kāi)啟，形成新的漏電通道。針對(duì)該機(jī)理，我們基于0.18 μm CMOS工藝開(kāi)發(fā)了抗總劑量輻射加固技術(shù)[7]，如圖1所示，對(duì)STI場(chǎng)區(qū)進(jìn)行抗總劑量輻射加固，STI/襯底界面處的P型硅不容易發(fā)生反型。針對(duì)所得的0.18 μm NMOS器件進(jìn)行了常態(tài)特性以及輻照特性的評(píng)估，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)的結(jié)果證明了加固工藝的有效性。

圖1 NMOS晶體管STI場(chǎng)區(qū)加固示意圖

抗總劑量輻射加固工藝在MOS器件的場(chǎng)區(qū)引入了陷阱電荷，這將對(duì)場(chǎng)區(qū)電場(chǎng)分布造成影響，同時(shí)經(jīng)過(guò)研究得出，電離輻射造成的正電荷積累與界面態(tài)都會(huì)對(duì)源漏端電荷分布造成影響，從而改變?cè)绰┒说慕Y(jié)深、電場(chǎng)強(qiáng)度等特性，這些都會(huì)導(dǎo)致漏端溝道電場(chǎng)的分布發(fā)生變化，進(jìn)而影響器件的壽命，因此需要對(duì)加固工藝器件的可靠性進(jìn)行評(píng)估。

2 器件特性

基于0.18 μm CMOS工藝完成了1.8 V NMOS器件的制備，器件結(jié)構(gòu)剖面見(jiàn)圖2，器件常態(tài)參數(shù)見(jiàn)表1。對(duì)器件進(jìn)行總劑量輻照實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采用中科院上海原子核研究所輻射技術(shù)中試研究基地的60Coγ射線，選取的劑量點(diǎn)為50 krad(Si)，100 krad(Si)，150 krad(Si)，500 krad(Si)，輻照偏置為最劣偏置 (ON偏置)，即Vg=2 V(1.1 Vdd)，Vd=Vs=Vb=0 V。輻照完成后，對(duì)樣品進(jìn)行I-V特性測(cè)試。不同劑量下的I-V特性曲線如圖3所示。

圖2 1.8 V NMOS器件結(jié)構(gòu)剖面圖

從圖3中明顯看出加固的1.8 V NMOS在500 krad(Si)劑量點(diǎn)時(shí)關(guān)態(tài)漏電流未發(fā)生明顯變化，器件I-V特性曲線與輻照前基本一致，器件不同劑量下的跨導(dǎo)也幾乎沒(méi)有變，說(shuō)明器件的遷移率沒(méi)有發(fā)生變化，因此可以得知，加固的NMOS器件抗總劑量輻射能力達(dá)到了500 krad(Si)水平。

表1 器件常態(tài)參數(shù)表

針對(duì)加固的1.8 V NMOS器件，測(cè)試其總劑量輻照前與輻照后的熱載流子特性，對(duì)加固工藝器件的HCI可靠性進(jìn)行初步的評(píng)估。

圖3 不同劑量下的I-V特性曲線

3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)樣品基于標(biāo)準(zhǔn)商用0.18 μm工藝，并增加了總劑量加固工藝，器件常態(tài)參數(shù)見(jiàn)表1。選取兩組器件，A組作為對(duì)比樣品，B組進(jìn)行輻照實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采用西北核技術(shù)研究所的60Coγ射線，劑量率是50 rad(Si)/s，劑量點(diǎn)分別為100 krad(Si)，300 krad(Si)，500 krad(Si)，輻照偏置為最劣偏置(ON偏置)，即Vg=2 V(1.1 Vdd)，其余端口接地。100 krad(Si)、300 krad(Si)兩個(gè)劑量點(diǎn)輻照完成后，各取1顆樣品進(jìn)行I-V特性測(cè)試，并且不再繼續(xù)后續(xù)的輻照，樣品編號(hào)及接受的總劑量見(jiàn)表2。輻照實(shí)驗(yàn)后對(duì)B組樣品進(jìn)行一周常溫（25℃）退火處理。退火完成后，對(duì)兩組樣品分別進(jìn)行熱載流子試驗(yàn)。

表2 熱載流子效應(yīng)試驗(yàn)條件

熱載流子試驗(yàn)選取漏端電壓應(yīng)力Vd=3 V，柵端電壓應(yīng)力Vg選取最大襯底電流（IsubMAX）點(diǎn)的柵電壓，熱載流子試驗(yàn)條件見(jiàn)表2。選取10 s、100 s、1000 s、10000 s對(duì)器件進(jìn)行I-V特性曲線測(cè)試，測(cè)試設(shè)備為KEITHLEY 4200S半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試儀。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

熱載流子試驗(yàn)過(guò)程中，每個(gè)應(yīng)力時(shí)間結(jié)束后，測(cè)試轉(zhuǎn)移輸出特性曲線。轉(zhuǎn)移特性曲線的測(cè)試方法如下：漏端電壓Vd=0.1 V，柵電壓Vg從-0.5 V掃描到1.8 V，源端和體端接地，得到轉(zhuǎn)移特性曲線Id-Vg，采用最大跨導(dǎo)法提取器件的閾值電壓；輸出特性曲線的測(cè)試方法如下：漏端電壓Vd=1.8 V，柵電壓Vg從-0.5 V掃描到1.8 V，源端和體端接地，得到轉(zhuǎn)移特性曲線Id-Vg，提取漏端的飽和電流Idsat=Id@Vg=1.8 V。

B-3#MOS器件在Vd=3 V應(yīng)力下進(jìn)行熱載流子試驗(yàn)，各時(shí)間點(diǎn)的轉(zhuǎn)移特性曲線如圖4所示，采用最大跨導(dǎo)法提取器件的閾值電壓，閾值電壓隨著應(yīng)力時(shí)間的變化量見(jiàn)圖4中小圖。從圖中可以看出，MOS器件的亞閾值區(qū)域在前1000 s退化較少，從1000 s到10000 s亞閾值區(qū)域退化明顯，閾值電壓發(fā)生顯著變化，從A組樣品與B組樣品的數(shù)據(jù)對(duì)比來(lái)看，A組樣品的退化更強(qiáng)。

圖4 熱載流子應(yīng)力前后轉(zhuǎn)移特性曲線

B-3#MOS器件在Vd=3 V應(yīng)力下進(jìn)行熱載流子試驗(yàn)，各時(shí)間點(diǎn)的輸出特性曲線如圖5所示，提取器件的飽和電流Idsat=Id@Vg=1.8 V，飽和電流隨著應(yīng)力時(shí)間的變化量見(jiàn)圖5中小圖。從圖中依然可以看出，MOS器件輻照后飽和電流的退化較輻照前變?nèi)趿?，說(shuō)明MOS器件在進(jìn)行總劑量輻照并退火后，受到熱載流子損傷的程度減弱了，這與文獻(xiàn)[8]的研究結(jié)果是相悖的。

圖5 熱載流子應(yīng)力前后輸出特性曲線

3.3 理論分析

在熱載流子效應(yīng)的表征中，倍增因子M=Isub/Id是一個(gè)非常有用的器件退化標(biāo)識(shí)量，襯底電流是在漏端附近的高場(chǎng)區(qū)中產(chǎn)生的，電子在溝道電場(chǎng)加速作用下在漏端碰撞電離，產(chǎn)生的空穴擴(kuò)散到電勢(shì)較低的中性體區(qū)形成襯底電流，它正比于Id，并與溝道橫向電場(chǎng)強(qiáng)度呈指數(shù)關(guān)系，即：

因此Isub/Id可以描述漏端附近的橫向電場(chǎng)。熱載流子效應(yīng)引入的陷落電荷分布在漏端附近的氧化層和界面態(tài)電荷陷阱中，它們改變了局部有效柵壓，從而影響溝道橫向電場(chǎng)。所以，通過(guò)測(cè)量整個(gè)柵壓范圍內(nèi)的倍增因子的退化，就可以得到器件的損傷情況。

在熱載流子效應(yīng)試驗(yàn)過(guò)程中，器件進(jìn)行了襯底電流測(cè)試，襯底電流隨輻照劑量的變化曲線如圖6所示。器件的襯底電流隨著總劑量的增加而減小，但變化量并不明顯。襯底電流的減小，表明熱載流子注入的減少，因此襯底電流的表征解釋了輻照退火后器件熱載流子效應(yīng)損傷減弱的現(xiàn)象。

圖6 MOS器件襯底電流隨輻照總劑量的變化

總劑量電離輻射與熱載流子效應(yīng)的損傷原理存在相似之處，他們都會(huì)在氧化層中引入陷阱電荷同時(shí)在界面處形成界面態(tài)，然而它們的損傷形式并不完全相同?？倓┝枯椛湫?yīng)主要會(huì)造成器件的關(guān)態(tài)漏電流的增加以及閾值電壓的降低，而熱載流子效應(yīng)主要會(huì)造成器件的閾值增大、驅(qū)動(dòng)下降。造成區(qū)別的原因在于引入的陷阱電荷與界面態(tài)的位置。

由于期間經(jīng)歷了常溫下的退火效應(yīng)，因此大部分的氧化物陷阱電荷將會(huì)被退掉，而界面態(tài)在禁帶中處于深能級(jí)，常溫下很難退火。故退火后的器件特性主要受界面態(tài)的影響。熱載流子效應(yīng)界面態(tài)產(chǎn)生的主要原因是高能電子和空穴在注入時(shí)打破了Si-Si和Si-O鍵，形成Si-、O-懸掛鍵，成為受主界面態(tài)。

圖6顯示襯底電流最大值對(duì)應(yīng)的柵壓正漂，由此證明柵氧化層與STI區(qū)域中的陷阱電荷的數(shù)量小于界面態(tài)，說(shuō)明MOS器件輻照后在界面處還是形成了較多的界面態(tài)，退火后造成界面態(tài)多于陷阱電荷。因此溝道中形成的是負(fù)電場(chǎng)，使得漏端的電場(chǎng)強(qiáng)度下降，隨著總劑量的增加，STI場(chǎng)區(qū)與柵氧化層中產(chǎn)生的界面態(tài)相對(duì)增加，由此造成MOS器件的襯底電流變小，但增加量并不明顯。

從圖7的對(duì)比情況來(lái)看，標(biāo)準(zhǔn)工藝器件由于熱載流子損傷造成的退化確實(shí)要強(qiáng)于加固工藝器件，因此懷疑加固工藝在STI側(cè)壁中引入了電子陷阱中心，其影響將會(huì)造成部分受主界面態(tài)的復(fù)合，造成界面態(tài)數(shù)量的減少，使得加固工藝器件的熱載流子損傷要弱于非加固工藝器件。但具體的原因還需要后續(xù)補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)分析做進(jìn)一步的確認(rèn)。

圖7 加固工藝與標(biāo)準(zhǔn)工藝器件退化情況對(duì)比

對(duì)我們加固工藝制備的1.8 V NMOS器件進(jìn)行HCI可靠性評(píng)估試驗(yàn)，計(jì)算其HCI可靠性壽命。根據(jù)JEDEC/FSA Joint Publication No.001的要求，MOS器件壽命推導(dǎo)模型如下：

表3 加速應(yīng)力壽命

由圖8的曲線可知1.1 Vdd工作條件下，器件的壽命為5.75年，滿足大于0.2年的要求。由此說(shuō)明，加固工藝器件HCI的可靠性滿足規(guī)范要求，說(shuō)明我們采取的加固措施并不會(huì)影響到器件的熱載流子注入（HCI）可靠性。

圖8 MOS器件壽命擬合曲線

4 結(jié)論

基于標(biāo)準(zhǔn)商用0.18 μm CMOS工藝，并通過(guò)抗總劑量輻射加固工藝，制備了1.8 V NMOS器件，對(duì)器件的抗輻射特性以及HCI可靠性進(jìn)行測(cè)試與分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）采用場(chǎng)區(qū)加固工藝制備的MOS器件，輻照并退火后受到的熱載流子損傷要弱于未輻照的器件，其原因在于輻照后界面處的界面態(tài)增加，減弱了漏端的電場(chǎng)強(qiáng)度；

（2）采用場(chǎng)區(qū)加固工藝的NMOS管，其受到的熱載流子損傷比標(biāo)準(zhǔn)工藝的稍弱，其原因可能是加固工藝引入的電子陷阱中心復(fù)合了部分界面態(tài)，具體原因還需要后續(xù)補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)分析；

（3）我們采取的場(chǎng)區(qū)加固工藝并不會(huì)影響到器件的熱載流子注入（HCI）可靠性，器件的HCI可靠性滿足大于0.2年@1.1 Vdd的規(guī)范要求。

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Studies of Hot-Carrier Injection Effect in 0.18 μm Radiation-hardened NMOS Transistors

XIE Rubin,ZHANG Qingdong,JI Xuming,WU Jianwei,HONG Genshen

（China Electronics Technology Group Corporation No.58Research Institute,Wuxi214072,China）

Total ionizing dose radiation-hard technology is developed based on 0.18 μm CMOS process.The normal performance of the 1.8 V NMOS transistors manufactured in this process is stable.And there is no shift of threshold voltage and off-state current at 500 krad(Si)irradiating.The HCI lifetime is estimated to study the hot carrier injection effect of NMOS transistors.The HCI lifetime is 5.75 year,longer than 0.2 year under 1.1 Vdd.The performance affected by both total dose irradiation and the hot-carrier injection effects is explored by compared the irradiated NMOS transistors with the one without irradiation.The transistors pro-irradiated and annealed are less influenced by hot-carrier injection effect.The radiation-hardening process does not exacerbate hot-carrier injection effect.

radiation-hard;total ionizing dose effect;hot carrier injection effect;0.18 μm

TN306

A

1681-1070（2017）04-0030-04

謝儒彬（1988—），男，江蘇無(wú)錫人，碩士研究生，工程師，2013年畢業(yè)于南京大學(xué)物理學(xué)院，目前主要從事抗輻射集成電路工藝集成技術(shù)研究。

2016-12-12