總劑量輻照與熱載流子協(xié)同效應(yīng)特性分析★

付興中，何玉娟，鄭婕，章曉文

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050000；2.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610）

0 引言

在空間長時間運行的設(shè)備和器件，在受到空間輻射效應(yīng)影響的同時，也會由于熱載流子效應(yīng)的影響而使得器件的壽命降低。在進(jìn)行地面模擬試驗時，一般采用單機理的試驗?zāi)M方式，但空間總劑量輻照效應(yīng)對器件熱載流子效應(yīng)甚至其使用壽命的影響究竟如何，國內(nèi)外卻研究得較少。

本文針對特征尺寸為0.35 μm的NMOS器件，研究總劑量輻照效應(yīng)對NMOS器件熱載流子測試的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在經(jīng)過總劑量輻照后進(jìn)行熱載流子測試，閾值電壓隨著總劑量的增大而減小，隨著熱載流子測試時間的增大而增大，并且變化值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過未經(jīng)過總劑量輻照的器件。

1 試驗結(jié)果

試驗所用的NMOS器件為SMIC公司的流片，其特征尺寸為0.35 μm，器件的柵氧化層厚度為6.5 nm，寬長比為50。

總劑量輻照劑量率為50 rad（Si）/s，偏置為ON偏置 （VG=VDD，VD=VS=VB=0 V），總劑量為100 krad（Si），試驗是在中科院新疆理化所的鈷-60總劑量輻射源處進(jìn)行的。

熱載流子測試采用的試驗條件為VD=4.0 V，VG=1.6 V，VS=VB=0 V，測試時間為10 000 s，采用keithley 4200半導(dǎo)體參數(shù)測試系統(tǒng)進(jìn)行NMOS器件的I-V測試。

條柵器件100 krad（Si）總劑量輻照后熱載流子試驗的ID-VG曲線如圖1所示，其閾值電壓的變化情況如圖2所示，最大跨導(dǎo)Gm的變化情況如圖3所示。

從圖1中可以看出，NMOS器件在經(jīng)過100 krad（Si）總劑量輻照后，ID-VG曲線向負(fù)向漂移，并且輻照后在VG截止態(tài)時存在泄漏電流，總劑量輻照使得器件漏極的泄漏電流從E-11量級上升到E-6量級，提高了5個量級。同時，從圖2-3中可以看出，總劑量輻照使得NMOS器件的閾值電壓Vth減小，最大跨導(dǎo)Gm減小。

在總劑量輻照后，NMOS器件經(jīng)過了10 000 s的熱載流子試驗，試驗結(jié)果如圖1所示。從圖1中可以看出，熱載流子試驗使得NMOS器件的ID-VG曲線向正向漂移，這與總劑量輻照結(jié)果相反；另外，熱載流子試驗也使得NMOS器件的泄漏電流恢復(fù)到輻照前，泄漏電流減小到初始狀態(tài)。

圖1 條柵N1器件100 krad（Si）輻照后熱載流子試驗的ID-VG曲線

從圖2-3中可以看出，熱載流子試驗使得NMOS器件的閾值電壓Vth增大，最大跨導(dǎo)Gm減小。

因而可知，對于NMOS器件的閾值電壓Vth而言，總劑量輻照與熱載流子試驗使得Vth先減小，再增大，是互相部分抵消的結(jié)果；對于最大跨導(dǎo)Gm而言，總劑量輻照與熱載流子試驗使得Gm一直減小，是互相疊加的結(jié)果。

圖2 條柵器件100 krad（Si）輻照后熱載流子試驗前后Vth參數(shù)變化曲線圖

圖3 條柵器件100 krad（Si）輻照后熱載流子試驗前后Gm參數(shù)變化曲線圖

2 試驗分析

0.35 μm的NMOS器件經(jīng)過 100 krad （Si） 總劑量輻照后，其熱載流子測試前后Vth變化情況與未經(jīng)過輻照的相同樣品在相同的熱載流子測試電壓下的Vth變化情況的對比如圖4所示。從圖4中可以看出，未經(jīng)過輻照的樣品，在熱載流子測試時，其閾值電壓Vth的變化極小，在經(jīng)過9 000 s熱載流子測試后，閾值電壓只增加了0.04 V，相比于初始的閾值電壓0.55 V，變化比例不超過10%。而經(jīng)過100 krad（Si）總劑量輻照后，在器件熱載流子測試時，閾值電壓Vth變化很大，在經(jīng)過10 000 s熱載流子測試后，閾值電壓增加了0.18 V，相比于初始閾值電壓0.58 V，變化比例超過30%。

圖4 經(jīng)過總劑量輻照后的樣品與未輻照樣品的熱載流子測試Vth變化曲線

未經(jīng)輻照的樣品與經(jīng)過總劑量輻照的樣品在熱載流子試驗時其Vth相差這么明顯，究其原因可能與總劑量退火效應(yīng)，以及總劑量和熱載流子協(xié)同效應(yīng)有關(guān)。

首先，100 krad（Si）總劑量輻照后，NMOS器件進(jìn)行熱載流子試驗，由于總劑量輻照后未進(jìn)行退火試驗，并且熱載流子試驗時NMOS器件柵極和漏極施加電信號，因此，在熱載流子試驗時，器件是同時進(jìn)行總劑量退火試驗和熱載流子測試的。

常溫下的總劑量退火效應(yīng)曲線如圖5所示，常溫加偏置總劑量的退火效應(yīng)會使得NMOS器件的氧化層陷阱電荷內(nèi)的正電荷與電子復(fù)合，從而使得輻射感生的氧化層陷阱電荷減少；但在常溫下，總劑量的退火效應(yīng)卻無法使NMOS器件的界面態(tài)電荷發(fā)生退火效應(yīng)，反而由于部分慢界面態(tài)在總劑量輻照后仍在慢慢地建立，因此，常溫加偏置退火會使得NMOS器件的界面態(tài)仍存在少量的增長，在50 rad（Si）/s的高劑量率下的100 krad（Si）總劑量輻照下，在NMOS器件的界面處的界面態(tài)增加較少，退火后界面態(tài)仍在緩慢地增加，但增加得極少。

然而，總劑量的退火效應(yīng)只是使得NMOS器件的氧化層陷阱電荷的復(fù)合部分增加，并且界面態(tài)增加得較少，因此，NMOS器件總劑量退火后的閾值電壓正向增加的數(shù)值要小于其總劑量輻照導(dǎo)致的閾值電壓負(fù)向漂移的數(shù)值；也就是說，NMOS器件總劑量退火后，其閾值電壓無法恢復(fù)到未輻照前的情況。

而我們從圖2中可以看出，NMOS器件閾值電壓從未輻照時的0.586 V變化到了輻照后的0.524 V，閾值電壓漂移了-0.06 V，但10 000 s熱載流子試驗后，閾值電壓變化到0.791 V，閾值電壓相比于熱載流子試驗前增大了0.26 V，相比于輻照前，閾值電壓則增大了0.2 V。可見，NMOS器件在總劑量輻照后進(jìn)行熱載流子效應(yīng)，其閾值電壓變化相比于只進(jìn)行熱載流子試驗，以及只進(jìn)行總劑量和總劑量輻照效應(yīng)，其變化值要大得多。由此可見，總劑量輻照和熱載流子的協(xié)同效應(yīng)使得參數(shù)變化比單一效應(yīng)時更加明顯，可以說是1+1＞2。

圖5 NMOS器件在常溫ON偏置下輻照與退火前后的Vth變化情況

總劑量輻照和熱載流子協(xié)同效應(yīng)，使得器件的參數(shù)變化更加明顯，其原因可能是總劑量輻照使得NMOS器件的氧化層靠近Si界面處的Si-Si鍵斷裂，形成懸掛鍵，在總劑量輻照時俘獲空穴，形成帶正電的氧化層陷阱電荷，但在熱載流子測試中，由于熱電子注入氧化層中，懸掛鍵中的空穴被電子復(fù)合，并且，由于熱電子的數(shù)量較多，其復(fù)合的速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于退火時氧化層陷阱電荷復(fù)合的速度，這也使得器件的閾值電壓正向漂移[1-2]；另外，由于總劑量輻照效應(yīng)，Si-SiO2界面處形成Si-懸掛鍵，俘獲電子，形成輻射感生界面態(tài)電荷，由于輻照后熱載流子測試時，熱電子注入界面處，懸掛鍵俘獲的電子更多，使得界面態(tài)電荷持續(xù)地增加，因此使器件的閾值電壓向正向漂移[3-6]?？倓┝亢蜔彷d流子試驗前后由氧化層陷阱電荷和界面態(tài)電荷引起的閾值電壓變化情況如圖6所示。從圖6中可以看出，熱載流子試驗時，NMOS器件的氧化層陷阱電荷緩慢地增加，這是由于氧化層陷阱中的空穴電荷被熱電子復(fù)合而導(dǎo)致的，但界面態(tài)增加得很快，總劑量輻照導(dǎo)致界面態(tài)的增加而引起閾值電壓變化值為0.03 V，而10 000 s熱載流子試驗卻使得界面態(tài)導(dǎo)致的閾值電壓變化值達(dá)到0.2 V，閾值電壓正向漂移值基本上都是由于界面態(tài)的增加而導(dǎo)致的。

圖6 NMOS器件輻照與熱載流子氧化層陷阱電荷與界面態(tài)電荷的變化情況

3 結(jié)束語

本文研究了100krad（Si）總劑量輻照對0.35 μm NMOS器件熱載流子效應(yīng)的影響情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在經(jīng)過總劑量輻照后進(jìn)行熱載流子測試，閾值電壓隨著總劑量的增大而減小，隨著熱載流子測試時間的增大而增大，并且其變化值遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過未經(jīng)過總劑量輻照的器件。分析發(fā)現(xiàn)：總劑量輻照對熱載流子效應(yīng)的影響主要是輻射感生界面陷阱俘獲熱電子形成負(fù)的界面態(tài)電荷，導(dǎo)致閾值電壓持續(xù)向正向漂移，并且其數(shù)值遠(yuǎn)高于總劑量輻照引起的。

[1]FLEETWOOD D M，XIONG H D，LU Z Y，et al.Unified modle of hole trapping， 1/f Noise， and thermally stimulaterd current in MOS device[J].IEEE Transactions on Nuclear Science， 2002， 49 （6）： 2674-2683.

[2]OLDHAM T R，MCLEAN F B.Total ionizing dose effects in MOS oxides and devices[J].IEEE Transactions on Nuclear Science， 2003， 50 （3）： 483-499.

[3]SCHWANK J R， SHANEYFELT M R， FLEETWOOD M，et al.Radiation effects in MOS oxides[J].IEEE Transactions on Nuclear Science， 2008， 55 （4）： 1833-1853.

[4]CHENMING HU， SIMON C， FU-CHIEN Hsu et al.Hot electron-induced MOSFET degradation model， monitor，and improvement[J].IEEE Transactions on Electron Devices， 1985， 32 （2）： 375-386.

[5]吳清才.航天電子產(chǎn)品熱環(huán)境試驗策略研究 [J].裝備環(huán)境工程， 2015， 12 （3）： 80-86.

[6]沈自才，弁永強，吳宜勇.電子輻照Kapton/AC薄膜力學(xué)性能退化規(guī)律與機理研究 [J].裝備環(huán)境工程，2015， 12 （3）： 42-44； 69.

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