柵氧化方式對(duì)NMOS器件總劑量電離效應(yīng)的影響

劉佰清，劉國(guó)柱，吳健偉，洪根深，鄭若成

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇無(wú)錫 214035）

柵氧化方式對(duì)NMOS器件總劑量電離效應(yīng)的影響

劉佰清，劉國(guó)柱，吳健偉，洪根深，鄭若成

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇無(wú)錫 214035）

基于抗輻射0.6 μm CMOS工藝，對(duì)5 V/20 Vamp;LV/HV NMOS器件進(jìn)行了總劑量加固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并采用疊柵氧工藝成功制備了抗總劑量能力≥500 krad(Si)高低壓兼容的NMOS器件。重點(diǎn)研究了不同的柵氧化工藝對(duì)NMOS器件總劑量輻射電離效應(yīng)的影響作用。研究發(fā)現(xiàn)，在抗總劑量電離能力方面，濕法氧化工藝優(yōu)于干法氧化工藝：即當(dāng)柵氧厚度小于12.5 nm時(shí)，LVNMOS器件因總劑量電離效應(yīng)引起的閾值電壓漂移ΔVtn受柵氧化方式的影響甚?。划?dāng)柵氧厚度為26 nm時(shí)，HVNMOS器件因總劑量電離效應(yīng)引起的閾值電壓漂移ΔVtn受柵氧化方式及工藝溫度的影響顯著。在500 krad(Si)條件下，采用850℃濕氧+900℃干氧化方式的HVNMOS器件閾值電壓漂移ΔVtn比采用800℃濕氧氧化方式的高2倍左右。

柵氧化；總劑量電離效應(yīng)；閾值電壓漂移ΔVtn

1 引言

總劑量效應(yīng)（Total ionizing dose effects，TID）由輻射源產(chǎn)生的γ光子或高能離子在集成電路材料中電離產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，電子空穴隨即發(fā)生復(fù)合、擴(kuò)散和漂移，最終在氧化層中形成氧化物陷阱電荷或者在氧化層與半導(dǎo)體材料的界面處形成界面陷阱電荷，使器件的性能降低甚至失效。總劑量電離輻射產(chǎn)生的電荷或非平衡載流子的輸運(yùn)、復(fù)合、俘獲、積累、退火與電場(chǎng)、溫度、雜質(zhì)、缺陷、界面結(jié)構(gòu)和電離輻射方式等密切相關(guān)[1～3]。輻射的基本原理如圖1所示，高能粒子轟擊二氧化硅，誘發(fā)產(chǎn)生大量電子-空穴對(duì)，由于電子遷移率遠(yuǎn)大于空穴遷移率，在電場(chǎng)的作用下，電子快速移出SiO2層，而空穴由于輸運(yùn)速度慢，則在SiO2體內(nèi)跳躍輸運(yùn)，由于在Si/SiO2界面處有很多因氧原子空位和晶格失配形成的空穴陷阱中心，其中一部分空穴躍遷至Si/SiO2界面附近時(shí)被氧化層陷阱俘獲，形成正電荷積累。實(shí)際上電子也會(huì)有少量被SiO2中的深電子陷阱俘獲形成負(fù)的空間電荷，由于數(shù)量上相對(duì)較少，因此整個(gè)二氧化硅層的電荷量表現(xiàn)出正電荷。同時(shí)輻射在SiO2/Si界面處打破共價(jià)鍵，形成界面陷阱電荷。這兩種機(jī)制所形成的電荷積累均會(huì)對(duì)CMOS器件產(chǎn)生影響，并導(dǎo)致CMOS電路的性能、功能和電流產(chǎn)生較大影響，隨著劑量的增加，器件性能逐漸降低，當(dāng)劑量積累到一定程度時(shí),器件發(fā)生功能性失效。

據(jù)文獻(xiàn)[1,6,7]介紹，總劑量輻照對(duì)氧化層中產(chǎn)生的正電荷主要是由于中性的氧空位（陷阱中心）俘獲了空穴，即 E′陷阱中心，其主要包括 Eδ′和 Eγ′，模型機(jī)理如圖2所示。Eδ′為分布于整個(gè)SiO2體內(nèi)的淺能級(jí)陷阱中心（禁帶中的能級(jí)大約1.0 eV），Eγ′為深能級(jí)陷阱中心（禁帶中的能級(jí)大約3.0 eV），該類(lèi)陷阱中心與界面電荷的交換作用不顯著，通常被視為氧化層中固定的正電荷，即Not。發(fā)生電荷交換的E′主要分布于SiO2/Si界面約3 nm的SiO2中，此類(lèi)陷阱為邊界陷阱（border traps or switching oxide traps），即 Nit，電荷交換的方式主要通過(guò)電子隧穿的形式實(shí)現(xiàn)，其電荷交換時(shí)間約10-6～1 s。

圖1 總劑量輻射效應(yīng)在SiO2中的輻射機(jī)理[3]

圖2 總劑量電離效應(yīng)引起在SiO2/Si界面處的SiO2中產(chǎn)生E′陷阱中心模型示意圖

據(jù)文獻(xiàn)[4,5,6]介紹，當(dāng)柵氧厚度小于100 nm時(shí)，總劑量輻照電離效應(yīng)在SiO2/Si界面陷阱產(chǎn)生和建立的速度與柵氧化方式的選取有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)[4,5]，在同等柵氧厚度、正柵偏置輻射條件下，干氧化工藝柵氧界面陷阱建立的時(shí)間是濕氧化方式的1.3～2.2倍，其陷阱的速率與氧化層厚度呈現(xiàn)Tox-0.4關(guān)系；干法氧化柵氧中產(chǎn)生的空穴陷阱距SiO2/Si界面的距離比濕法氧化柵氧??；干法氧化柵氧中電子陷阱的產(chǎn)生率比濕法氧化柵氧高。

由于氧化工藝及氧化后的退火處理對(duì)界面區(qū)的弱鍵密度有較大影響；一般中溫（～1000℃）干氧生長(zhǎng)的SiO2/Si界面較好；在柵氧加固工藝中，應(yīng)避免界面生長(zhǎng)之后的高溫處理。用氦、氬等惰性氣體作用退火氣氛，可明顯降低界面處的≡Si-OH和≡Si-H。因此，在高壓抗輻射柵氧加固工藝中，需要重點(diǎn)考慮通過(guò)降低界面陷阱的方式增強(qiáng)器件的抗總劑量能力。

本文基于抗輻射0.6 μm CMOS工藝，研究了厚度為10～30 nm的NMOS器件其柵氧氧化方式對(duì)TID效應(yīng)的影響。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 樣品制備

本實(shí)驗(yàn)主要研究了兩種不同柵氧化方式NMOS器件的總劑量輻射電離效應(yīng)，其器件及制備工藝條件如表1所示，其中LVNMOS器件柵氧采用單柵氧工藝進(jìn)行制備，HVNMOS器件的柵氧采用單柵氧、疊柵氧（23.0 nm+12.5 nm）工藝進(jìn)行制備。

表1 NMOS器件特征參數(shù)

2.2 器件結(jié)構(gòu)

本實(shí)驗(yàn)LV/HVNMOS總劑量加固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 LV/HVNMOS結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 輻照試驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所鈷60 γ射線源對(duì)NMOS單管器件進(jìn)行總劑量輻照試驗(yàn)研究，劑量點(diǎn) 50 krad(Si)、100 krad(Si)、150 krad(Si)、500 krad(Si)、750 krad(Si)，劑量率 50 krad(Si)/s，根據(jù)器件在電路中實(shí)際的工作狀態(tài)，確定器件在輻照過(guò)程中的偏置電壓條件，輻照過(guò)程中所施加的偏置條件如表2所示。

表2 NMOS器件輻照偏置條件

3 結(jié)果與討論

3.1 閾值電壓漂移量與總劑量的關(guān)系

通過(guò)分析MOS器件輻射效應(yīng)及機(jī)理可知，導(dǎo)致NMOS與PMOS閾值電壓的漂移主要來(lái)源于輻射對(duì)氧化層及硅界面的損傷，導(dǎo)致產(chǎn)生氧化物的陷阱電荷(Not)和界面態(tài)電荷(Nit)。TID引起MOS器件閾值電壓漂移與氧化層厚度有關(guān)，其表述為：

在電離輻射作用下，氧化層中產(chǎn)生的載流子在電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生漂移。電子和空穴的遷移率不同，電子很快漂移出氧化層，盡管電子漂移出氧化層時(shí)間很短（ps級(jí)），依然會(huì)在漂移過(guò)程中與空穴產(chǎn)生復(fù)合，因此計(jì)算氧化層中的空穴陷阱引起的閾值電壓漂移，需要考慮空穴產(chǎn)生率f(Eox,E)，其與氧化層中電場(chǎng)Eox和輻射射線粒子能量E有關(guān)。

3.2 LV/HVNMOS轉(zhuǎn)移特性與總劑量關(guān)系

3.2.1 LVNMOS器件總劑量特性研究

LVNMOS器件的轉(zhuǎn)移特性與總劑量關(guān)系如圖4所示，由轉(zhuǎn)移特性可知，在500 krad(Si)條件下，LVNMOS器件場(chǎng)邊緣均未出現(xiàn)漏電；同時(shí)，對(duì)于柵氧厚度小于12.5 nm的LVNMOS器件，干氧氧化、濕氧氧化方式對(duì)總劑量電離效應(yīng)引起的ΔVtn影響較小，在500 krad(Si)條件下，采用濕氧氧化方式的LVNMOS比采用干氧氧化方式的閾值電壓漂移ΔVtn約小0.025V。

3.2.2 HVNMOS器件總劑量特性研究

HVNMOS器件在不同輻照劑量下的轉(zhuǎn)移特性曲線如圖5所示。HVNMOS器件在150 krad(Si)條件下，均未出現(xiàn)漏電。器件總劑量電離效應(yīng)Vtn差異明顯，在500 krad(Si)條件下，采用800℃濕氧+900℃干氧化方式的HVNMOS器件閾值電壓漂移ΔVtn比采用800℃濕氧氧化方式的高2倍左右；即當(dāng)柵氧厚度為26 nm時(shí)，采用800℃濕氧氧化方式的HVNMOS器件抗總劑量效果明顯優(yōu)于800℃濕氧+900℃干氧。

3.3 閾值電壓漂移量與總劑量關(guān)系

在相同偏置電壓條件下（5.5 V ON偏置），高低壓NMOS管的閾值電壓的漂移與總劑量劑量點(diǎn)之間的關(guān)系如圖6所示。對(duì)于LVNMOS（Tox=12.5 nm），采用濕氧氧化方式的器件其總劑量效果略?xún)?yōu)于采用干柵氧氧化方式的器件，在500 krad(Si)條件下，其閾值電壓漂移約小0.025 V；對(duì)于HVNMOS器件（Tox=26.0 nm），采用800℃濕法氧化方式的HVNMOS其抗總劑量效果優(yōu)于采用850℃濕氧+900℃干氧氧化的器件；在500krad(Si)條件下，其閾值電壓漂移約小0.80V。

圖4 LVNMOS管不同總劑量點(diǎn)條件下（5.5 V ON偏置）轉(zhuǎn)移特性曲線

圖5 HVNMOS管不同總劑量點(diǎn)條件下（5.5 V ON偏置）轉(zhuǎn)移特性曲線

圖6 不同厚度柵氧閾值電壓漂移量與總劑量（5.5 V ON偏置）的關(guān)系曲線

從高壓器件抗總劑量效果來(lái)看，濕法氧化柵氧明顯優(yōu)于干法氧化柵氧。原因主要是濕氧氧化層SiO2/Si界面的陷阱電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)。一方面，由于SiO2氧化層中內(nèi)部缺陷密度Not的增加，可以增加TID電離效應(yīng)引起的空穴陷阱的俘獲概率；同時(shí)，在電場(chǎng)應(yīng)力的條件下空穴向SiO2/Si界面方向遷移，易被邊界陷阱（border traps or Switching states）所俘獲，從而導(dǎo)致SiO2/Si邊界E′(hole)產(chǎn)生積累量的增加，此過(guò)程中也會(huì)伴隨著電子與空穴的復(fù)合、電子遷移與擴(kuò)散等過(guò)程，但因電子遷移率遠(yuǎn)高于空穴，因此，在氧化層邊界位置主要是以空穴積累為主，濕法氧化層中SiO2/Si邊界E′(hole)濃度要低于干法氧化層。另一方面，干法氧化工藝Si/SiO2界面處俘獲電子陷阱形成界面缺陷電荷Nit的概率遠(yuǎn)高于濕法工藝；研究結(jié)果分析，界面陷阱可以是正電性、中性或負(fù)電性的，這主要取決于費(fèi)米能級(jí)和陷阱能級(jí)的位置，當(dāng)費(fèi)米能級(jí)位于陷阱能級(jí)之下，則陷阱顯示正電性，反之則是負(fù)電性。一般而言，干法氧化工藝界面陷阱俘獲電子/空穴概率比高于濕法氧化工藝。因此，對(duì)NMOS器件，干法氧化工藝Si/SiO2界面處的電子陷阱概率高于濕法氧化。對(duì)于HVNMOS器件，干氧柵氧化工藝由于電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)的影響，導(dǎo)致在SiO2/Si界面積累更多的邊界陷阱，因此器件的總劑量效果遠(yuǎn)低于濕氧氧化工藝器件。

4 結(jié)論

本文基于抗輻射0.6 μm CMOS工藝，設(shè)計(jì)了總劑量加固結(jié)構(gòu)，并采用疊柵氧工藝成功制備出了抗總劑量500 krad(Si)的高低壓兼容的NMOS器件。同時(shí)，側(cè)重研究了高低壓柵氧化方式對(duì)MOS器件總劑量輻射電離效應(yīng)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，干、濕的氧化方式對(duì)柵氧厚度小于12.5 nm的LVNMOS器件總劑量電離效應(yīng)的閾值電壓漂移ΔVtn影響較小，在500 krad(Si)條件下，寬長(zhǎng)比 20 μm/0.6 μm LVNMOS 柵氧為 12.5 nm 的濕氧比干氧總劑量效應(yīng)ΔVtn小0.025 V；當(dāng)柵氧厚度為26nm，其柵氧干濕氧化方式及氧化溫度對(duì)HVNMOS器件的總劑量效應(yīng)ΔVtn影響顯著，在500 krad(Si)條件下，850℃濕氧+900℃干氧比800℃濕氧的總劑量效應(yīng)ΔVtn高約2倍，其總劑量效應(yīng)ΔVtn性能的優(yōu)異性主要?dú)w因于濕氧氧化層SiO2/Si界面的陷阱電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)。

[1]劉文平.硅半導(dǎo)體器件輻射效應(yīng)及加固技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2013.

[2]曹建中.半導(dǎo)體材料的輻射效應(yīng)[M].北京：科學(xué)出版社，1993.

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劉佰清（1989—），男，南京大學(xué)物理電子學(xué)碩士，2014年7月進(jìn)入中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所工作，主要負(fù)責(zé)抗輻射工藝集成技術(shù)開(kāi)發(fā)。

The Effect of Oxidation Methods on TID Radiation

LIU Baiqing,LIU Guozhu,WU Jianwei,HONG Gensheng,ZHENG Ruocheng
（China Electronics Technology Corporation No.58 Research Institute,Wuxi 214035,China）

The radiation ionization of total dose(TID)of the LV/HVNMOS based on the CMOS standard process has been analysed.For the LVNMOS witch the gate oxide thickness less than 12.5 nm,it is found that the dryandwetoxidationmethodshave little effect about the threshold voltage drift(ΔVtn)due to the TID effect.Under the condition of 500 krad(Si),the ΔVtnof the device prepared by the wet-oxidation process is 0.025 V less thanthe device thatpreparedbydry-oxidationprocess.For the HVNMOS device which the gate oxide thickness was 26 nm,the effect of the oxidation process and the oxidation temperature due to the TID was significant.Under the condition of 500K rad(Si),the threshold voltage drift(ΔVtn)due to the TID effect which prepared by the dry-oxidation process(900℃)was about 3 times higher than the wet-oxidation process.The superiority of the TIDeffect ΔVtnismainlyattributedtothe charge transfer effectofSiO2/Siinterface trap.

gate oxide process;TID;thresholdvoltage drift ΔVtn

TN306

A

1681-1070（2017）11-0044-05

2017-06-27