40 nm NMOS器件溝道熱載流子效應(yīng)和電離總劑量效應(yīng)關(guān)聯(lián)分析

何寶平，馬武英，王祖軍，姚志斌，緱石龍

(強脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點實驗室； 西北核技術(shù)研究所： 西安 710024)

為保證航天器在空間天然輻射環(huán)境高可靠和長壽命的運行，對系統(tǒng)中電子器件的性能提出了越來越高的要求，即具備高速、高可靠、低功耗和強抗輻射能力。為達到型號任務(wù)對核心器件的性能、規(guī)模及容量等方面的要求，新一代航天器等先進裝備采用納米器件已成為必然選擇。當(dāng)MOSFET 器件進入納米工藝，器件的柵氧化層厚度降低，但由于淺槽隔離(shallow trench isolation, STI)[1,2]技術(shù)的引入總電離劑量(total ionization dose, TID)效應(yīng)卻沒有減弱，STI區(qū)域電荷俘獲引起橫向寄生晶體管打開，TID效應(yīng)使器件中產(chǎn)生了泄漏路徑，從而引起很大的關(guān)態(tài)漏電流[3-9]，當(dāng)輻射劑量累積到一定程度，就會引起器件失效，進而影響航天器的壽命。同時，當(dāng)器件柵長進入納米尺度后，工作電壓并沒有等比例縮小，導(dǎo)致器件整體電場增加，使器件產(chǎn)生可靠性長期退化的問題，例如，隨著尺寸縮小導(dǎo)致溝道電場增強而出現(xiàn)的熱載流子注入(hot carrier injection, HCI)效應(yīng)[10-13]，其中溝道熱載流子(channel hot carrier, CHC)效應(yīng)是納米晶體管中嚴(yán)重影響可靠性的問題之一。

航天器在空間應(yīng)用中, 納米電子器件始終面臨著輻射環(huán)境與常規(guī)可靠性的雙重挑戰(zhàn)，如果用單一作用機理的判定標(biāo)準(zhǔn)會造成電子器件可靠性的樂觀估計。為保證航天設(shè)備在空間環(huán)境中長期穩(wěn)定運行，研究納米器件TID效應(yīng)和常規(guī)可靠性的關(guān)聯(lián)性是非常必要的。近年來開展了很多TID效應(yīng)和常規(guī)可靠性的相關(guān)性研究[14-20]，但多數(shù)針對柵氧化層較厚的MOS器件。對于新型薄柵MOS器件TID效應(yīng)和可靠性相互作用機制,目前并沒有形成統(tǒng)一的認(rèn)識。本文主要針對40 nm 工藝NMOS器件，通過理論模擬和試驗2方面，研究TID效應(yīng)和CHC效應(yīng)相互作用問題，分析二者可能存在的關(guān)聯(lián)性。

1 樣品及試驗描述

試驗樣品是40 nm CMOS工藝線流片的NMOS器件，寬W=1 μm，長L=40 nm，寬長比W/L=25。樣品沒有進行封裝，在輻照和CHC效應(yīng)試驗過程中，采用探針進行加偏和電參數(shù)測量?？倓┝枯椪赵囼炘谖鞅焙思夹g(shù)研究所10 keV X射線源上進行，輻照過程對試驗樣品采用開態(tài)偏置(NMOS：VG=1.1 V；VD=VS=0)，輻照劑量率選為670 rad(Si)·s-1。累積輻照總劑量為4 Mrad(Si)時，利用半導(dǎo)體參數(shù)測試儀對試驗樣品的轉(zhuǎn)移特性曲線進行測量。試驗樣品在CHC效應(yīng)作用過程中VG=VD=1.6 V,VS=0，熱載流子注入時間t=3×104s，試驗和測試過程在半導(dǎo)體參數(shù)測試儀上進行。整個試驗流程分為：(1)先TID效應(yīng)后CHC效應(yīng)試驗，主要分析TID效應(yīng)對后續(xù)CHC效應(yīng)的影響；(2)先CHC效應(yīng)后TID效應(yīng)試驗，主要分析CHC效應(yīng)對后續(xù)TID效應(yīng)的影響。

2 試驗結(jié)果

累積輻照總劑量為4 Mrad(Si)， 熱載流子注入時間為3×104s時，40 nm NMOS器件TID效應(yīng)和CHC效應(yīng)的試驗結(jié)果如圖1所示。

由圖1可見：CHC效應(yīng)和TID效應(yīng)單獨作用時，都會對40 nm NMOS器件產(chǎn)生影響；器件在只受TID效應(yīng)后,轉(zhuǎn)移特性曲線左移，器件在只受CHC效應(yīng)后轉(zhuǎn)移特性曲線右移；器件在先TID效應(yīng)后CHC效應(yīng)共同作用引起的轉(zhuǎn)移特性曲線右移程度大于CHC效應(yīng)單獨作用；器件在先CHC效應(yīng)后TID效應(yīng)共同作用引起的轉(zhuǎn)移特性曲線左移程度小于只受TID效應(yīng)單獨作用。

圖2為40 nm NMOS器件閾值電壓漂移隨TID效應(yīng)和CHC效應(yīng)作用時間的變化關(guān)系。由圖2可見：CHC效應(yīng)單獨作用引起器件的閾值電壓漂移為29.3 mV；先TID效應(yīng)后CHC效應(yīng)引起器件的閾值電壓漂移為43 mV；先CHC效應(yīng)后TID效應(yīng)引起器件的閾值電壓漂移為5.8 mV。

3 理論分析

為深入了解40 nm NMOS器件在TID效應(yīng)和CHC效應(yīng)綜合作用下的物理機制，本文利用ISE TCAD 軟件進行了TID效應(yīng)和CHC效應(yīng)的聯(lián)合仿真研究。構(gòu)建的 40 nm NMOS 器件結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

TID效應(yīng)重點考慮了 STI 部分與溝道界面附近處產(chǎn)生的氧化層正電荷對溝道載流子的影響。在STI氧化層陷阱的基礎(chǔ)上加入輻射模型，通過氧化層中的陷阱俘獲電荷對器件性能的影響來模擬輻照行為，輻照偏置條件與試驗條件相同，在此基礎(chǔ)上，同時考慮輻照感生缺陷的退火過程。CHC效應(yīng)主要是溝道載流子獲得高于勢壘高度的能量而注入到柵介質(zhì)中，從而產(chǎn)生陷阱電荷，隨著 CHC 效應(yīng)的累積，會改變器件的電學(xué)性能。主要考慮了電離碰撞、隧穿、溝道熱載流子效應(yīng)、載流子-載流子散射及CHC衰減效應(yīng)等，其中偏置條件與試驗條件相同。

40 nm NMOS器件TID效應(yīng)仿真結(jié)果如圖4所示。由于納米器件柵氧化層厚度非常小，輻照在柵氧層中產(chǎn)生的陷阱電荷量非常少，不足以影響到器件的本征特性，但電離輻射會在器件的 STI 區(qū)域產(chǎn)生大量的電子-空穴對。由于柵極區(qū)域部分跨越 STI 頂部，器件工作時會在STI區(qū)域產(chǎn)生電場，STI區(qū)域的電子會被電場迅速掃出氧化物，留下帶正電的空穴。沒有參與復(fù)合的空穴被STI層邊緣的陷阱俘獲，產(chǎn)生氧化層陷阱正電荷。隨著氧化層陷阱正電荷的不斷累積，最終會在隔離氧化層中形成較大的電場。當(dāng)電場強度達到了一定值后，NMOS 器件的隔離氧化層附近的 P 型外延表面反型，源極漏極之間就會出現(xiàn)電流泄漏路徑。

熱載流子注入時間不同時，40 nm NMOS器件Ids-Vgs曲線如圖5所示。由于Vds和Vgs都較高，溝道水平方向有較高的電場強度，載流子沿著水平方向做加速運動，并獲得較高的能量。在較高Vgs的作用下，具有高能量的電子，發(fā)生電子-電子散射，改變運動方向直接射向 Si/SiO2界面，且最終翻越勢壘，注入氧化層介質(zhì)中，一部分會在界面處產(chǎn)生界面態(tài)。發(fā)生CHC效應(yīng)的偏置條件是VG≈VD，主要出現(xiàn)在短溝道的器件中。由于熱載流子注入效應(yīng)會在Si/SiO2界面處產(chǎn)生負(fù)的界面態(tài)，在柵氧化層中產(chǎn)生負(fù)的氧化層陷阱電荷，導(dǎo)致NMOS器件的閾值電壓、跨導(dǎo)及線性區(qū)漏極電流等電學(xué)參數(shù)發(fā)生變化。

3.1 先TID效應(yīng)后CHC效應(yīng)對納米MOS器件的影響

對于NMOS器件，TID效應(yīng)主要作用于 STI 區(qū)域，在STI區(qū)域 中引入了氧化層陷阱正電荷，并會在隔離氧化層/外延界面附近的襯底一側(cè)溝道中感生出高數(shù)密度的電子。但在長時間退火的情況下，STI中的氧化層陷阱正電荷又會因熱激發(fā)或襯底隧穿效應(yīng)而減少，進而引起溝道一側(cè)感生出的電子減少。 40 nm NMOS器件在TID效應(yīng)作用下溝道電子數(shù)密度的分布，如圖6所示。CHC效應(yīng)是由于溝道中的電子發(fā)生電子-電子散射，獲得高能量而進入柵氧介質(zhì)中而產(chǎn)生的。TID效應(yīng)和CHC效應(yīng)二者的關(guān)聯(lián)點在于本征溝道中的電子。器件先TID效應(yīng)后CHC效應(yīng)試驗，TID效應(yīng)會顯著增加溝道中的電子數(shù)密度，導(dǎo)致電子散射概率增加，使后續(xù)的CHC效應(yīng)更容易產(chǎn)生氧化層陷阱負(fù)電荷和界面陷阱負(fù)電荷，導(dǎo)致本征管曲線向正方向發(fā)生漂移。界面陷阱電荷沿y軸的分布如圖7所示。

其次，在長時間作用下，STI中的氧化層陷阱正電荷會發(fā)生退火效應(yīng)，導(dǎo)致寄生溝道電子減少，引起寄生管轉(zhuǎn)移特性曲線發(fā)生正方向漂移。40 nm NMOS器件在不同效應(yīng)作用下的I-V曲線，如圖8所示。由圖8可見，2種效應(yīng)綜合作用的導(dǎo)致器件的損傷程度要大于CHC效應(yīng)單獨作用。在器件先TID效應(yīng)后CHC效應(yīng)試驗中，2種效應(yīng)具有相關(guān)性。

3.2 先CHC效應(yīng)后TID效應(yīng)對納米MOS器件的影響

器件先CHC效應(yīng)后TID效應(yīng)試驗時，CHC效應(yīng)會在Si/SiO2界面形成界面陷阱負(fù)電荷，同時熱電子注入會在氧化層中產(chǎn)生氧化物陷阱負(fù)電荷，引起閾值電壓正向漂移；后續(xù)的TID效應(yīng)在STI氧化層中產(chǎn)生大量的氧化物陷阱正電荷，并在Si/SiO2界面附近 Si 的一側(cè)感生出更多的電子，增加了寄生晶體管溝道的電子數(shù)密度，如圖9所示，使泄漏電流增大，閾值電壓負(fù)向漂移。CHC效應(yīng)作用位置為柵氧介質(zhì)，而TID效應(yīng)的作用位置為 STI 部分，二者相對位置較遠。因此，CHC效應(yīng)在柵介質(zhì)處形成的缺陷對后續(xù)TID效應(yīng)的STI寄生管的影響可忽略，二者共同作用只是一個相互抵消的過程。40 nm NMOS器件在不同效應(yīng)作用下的I-V曲線，如圖10所示。由圖10可見，先CHC效應(yīng)后TID效應(yīng)綜合作用下轉(zhuǎn)移特性曲線右移變化量比CHC效應(yīng)單獨作用時小，左移變化量比TID效應(yīng)單獨作用時小，閾值電壓漂移處于2種效應(yīng)單獨作用之間。2種效應(yīng)不具有相關(guān)性，綜合效應(yīng)只是2種效應(yīng)疊加的結(jié)果。

4 結(jié)論

納米器件在空間應(yīng)用中，面臨著輻射環(huán)境與常規(guī)可靠性的雙重挑戰(zhàn)，器件退化規(guī)律比單獨條件下的規(guī)律更為復(fù)雜。研究結(jié)果表明：CHC效應(yīng)和TID效應(yīng)單獨作用都會對納米NMOS器件產(chǎn)生影響，但在綜合作用下的相關(guān)性與二者作用的先后順序有關(guān)；先TID效應(yīng)后CHC效應(yīng)導(dǎo)致器件的損傷要大于CHC效應(yīng)單獨作用結(jié)果，2種效應(yīng)具有相關(guān)性，二者的關(guān)聯(lián)點在于本征溝道中的電子，TID效應(yīng)會顯著增加器件溝道中的電子數(shù)密度，導(dǎo)致電子散射幾率增加，使后續(xù)CHC效應(yīng)更容易產(chǎn)生氧化層陷阱負(fù)電荷和界面陷阱負(fù)電荷；而先CHC效應(yīng)后TID效應(yīng)導(dǎo)致器件的損傷程度小于TID效應(yīng)和CHC效應(yīng)單獨作用時的損傷，綜合效應(yīng)只是2種效應(yīng)疊加的結(jié)果，二者共同作用只是相互抵消的過程，2種效應(yīng)沒有相關(guān)性。