背柵偏置對不同溝道長度PDSOI晶體管總劑量損傷規(guī)律及機理研究

王海洋 鄭齊文 崔江維 李豫東 郭 旗

1（中國科學院新疆理化技術研究所 中國科學院特殊環(huán)境功能材料與器件重點實驗室新疆電子信息材料與器件重點實驗室 烏魯木齊 830011）

2（中國科學院大學 北京 100049）

SOI（Silicon-On-Insulator）工藝是指在頂層硅和背襯底之間引入一層隱埋氧化層（Buried Oxide，BOX）。通過在絕緣體上形成半導體薄膜，使SOI工藝具備全介質(zhì)隔離、寄生電容小、速度快等優(yōu)勢［1-2］。特殊的全介質(zhì)隔離及超薄有源區(qū)結(jié)構(gòu)使SOI工藝具備很強的抗單粒子閂鎖、單粒子翻轉(zhuǎn)等瞬時輻射的能力［3］，在航天任務中有重要應用價值［4-6］。但是由于特殊BOX的存在，SOI器件面臨更為復雜的總劑量輻射效應（Total Ionizing Dose，TID），除了與體硅器件一致的柵氧化物與隔離氧化物輻射損傷，輻射在BOX層引入陷阱電荷同樣導致器件電參數(shù)退化?？倓┝啃荢OI器件輻射環(huán)境應用需要解決的關鍵問題［7］。

由于背柵的存在，SOI器件存在新的總劑量效應加固途徑。對于全耗盡SOI器件，利用正背柵耦合效應，可通過施加背柵偏置電壓補償輻照導致器件參數(shù)退化［8］。另一方面，輻照過程中施加背柵偏置還可影響輻射感生陷阱電荷物理過程［9］。背柵偏置改變BOX層電場強度及方向，BOX層電場強度決定了輻射引入載流子的逃逸率，而電場方向則影響空穴在氧化物中的輸運過程［10］。

本文以部分耗盡絕緣體上硅金屬氧化物半導體場效應晶體管（Partily Depleted Silicon-On-Insulator Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors，PD-SOI）為研究對象，研究了輻照過程中施加背柵偏置對不同溝道長度SOI器件輻射引入陷阱電荷物理過程的調(diào)控規(guī)律及機理。實驗中，測試了不同溝道長度晶體管在不同背柵偏置條件下的電參數(shù)退化規(guī)律。通過晶體管轉(zhuǎn)移特性曲線測試結(jié)果，利用中帶電壓法提取了輻射在BOX層引入陷阱電荷密度，結(jié)合T-CAD器件模擬仿真，揭示了背柵偏置對不同溝道長度SOI器件輻照引入陷阱電荷物理過程的調(diào)控機理。研究結(jié)果表明：背柵偏置和源漏電壓會共同影響B(tài)OX層中電場分布和強度，從而使輻照時施加背柵偏置顯著增強長溝晶體管的損傷。

1 實驗內(nèi)容及條件

實驗中使用H形柵PD SOI晶體管版圖結(jié)構(gòu)如圖1所示。該結(jié)構(gòu)的頂層硅膜厚度和BOX層厚度分別為100 nm和145 nm，柵氧層厚度約為6.7 nm，選用寬長比W/L為10 μm/10 μm、10 μm/0.35 μm的晶體管進行輻照實驗。

圖1 H形柵PD SOI NMOSFET版圖結(jié)構(gòu)Fig.1 Layout structure of H-gate PD SOI NMOSFET

總劑量輻照實驗在中國科學院新疆理化技術研究所進行。所有的晶體管采用60Co輻射源進行γ射線 照 射，劑 量 率 為100 rad（Si）·s-1，分 別 選 取100 krad（Si）、200 krad（Si）、300 krad（Si）三 個劑量點。

本款器件的前期研究表明傳輸門（Transmission Gate，TG）偏置條件下，器件輻射損傷最強。因此實驗過程中所有晶體管都采用TG偏置狀態(tài)，并施加不同的背柵偏置，偏置條件如表1所示。上述實驗在輻射實驗完成后的2 h內(nèi)進行電測量。測試設備為PDA FS336半導體參數(shù)分析儀，用于測試輻照前后器件的轉(zhuǎn)移特性曲線。其中正柵轉(zhuǎn)移特性曲線測試方法為：固定漏源電壓Vds=0.1 V，Vgs從-0.5 V掃到3.3 V，測試Ids的值；背柵轉(zhuǎn)移特性曲線測試方法為：固定漏源電壓Vds=0.1 V，Vbs從-10 V掃到50 V，測試Ids的值。本文采用固定電流法提取晶體管閾值電壓：取Ids=10-7W/L（A）對應的Vgs值視為閾值電壓Vth。

表1 總劑量輻照實驗偏置條件Table 1 Bias conditions for total dose irradiation experiment

2 結(jié)果和分析

2.1 不加背偏時總劑量損傷規(guī)律及機理

圖2、3分 別 為 寬 長 比 為10 μm/0.35 μm和10 μm/10 μm晶體管總劑量效應測試結(jié)果，輻照過程中器件處于TG偏置條件，且背柵偏置電壓為0 V。如圖2所示，對于寬長比為10 μm/0.35 μm的器件，隨著吸收劑量的增加，正柵及背柵晶體管的閾值電壓都發(fā)生負向漂移（更容易導通），這是由于本文研究的器件柵氧層厚度為6.7 nm，因此，柵氧化物的輻射損傷是可以忽略的［11］，而BOX內(nèi)俘獲的電荷和正柵會同時耗盡BOX層附近的頂部硅薄膜，當頂層硅膜被完全耗盡時，部分耗盡SOI會變?yōu)槿谋MSOI［12-13］，因此BOX層內(nèi)的俘獲電荷通過耦合效應影響正柵主晶體管的閾值電壓，并導致正柵閾值顯著負漂［14-15］，而且正柵晶體管在輻照至200 krad后，亞閾值區(qū)域出現(xiàn)翹曲現(xiàn)象。而對于寬長比為10 μm/10 μm的器件，背柵晶體管的閾值電壓發(fā)生負向漂移，但漂移量比短溝器件小2 V，而正柵晶體管的閾值變化較小，因此在不加背柵偏置時，對于溝道寬度相同的晶體管，溝道越長，輻射損傷越弱。

圖2 總劑量輻射對W/L=10 μm/0.35 μm晶體管轉(zhuǎn)移特性曲線影響，輻照過程中器件處于TG偏置狀態(tài)，背柵偏置電壓為0 V(a)正柵晶體管，(b)背柵晶體管Fig.2 Effect of total dose radiation on transfer characteristic curve of W/L=10 μm/0.35 μm transistor,during the irradiation,the device is in TG bias state with backgate bias voltage of 0 V(a)Front gate transistor,(b)Back gate transistor

2.2 不同背偏置條件下總劑量試驗結(jié)果

圖4、5分別為寬長比10 μm/0.35 μm和10 μm/10 μm的晶體管在不同背柵偏置條件下輻照到300 krad（Si）后背柵晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線。

如圖4所示，輻照過程中，施加背柵偏置電壓不同，晶體管背柵轉(zhuǎn)移特性曲線漂移量不同，總的來說，施加正的背柵壓可以明顯加劇器件輻射損傷，而施加負的背柵壓可以一定程度上抑制短溝晶體管（10 μm/0.35 μm）的損傷，而對于長溝晶體管，加負的背柵偏壓同樣會加劇損傷。

圖3 總劑量輻射對W/L=10 μm/10 μm晶體管轉(zhuǎn)移特性曲線影響，輻照過程中器件處于TG偏置狀態(tài)，背柵偏置電壓為0 V(a)正柵晶體管，(b)背柵晶體管Fig.3 Effect of total dose radiation on transfer characteristic curve of W/L=10 μm/10 μm transistor,during the irradiation,the device is in TG bias state with backgate bias voltage of 0 V(a)Front gate transistor,(b)Back gate transistor

圖4 W/L=10 μm/0.35 μm晶體管不同背偏下300 krad(Si)輻照后背柵轉(zhuǎn)移特性的變化Fig.4 Back gate transfer characteristics of W/L=10 μm/0.35 μm transistor irradiated by 300 krad(Si)varies with back-bias voltage

為了進一步定量分析背柵偏置對輻射損傷的調(diào)控影響，提取了晶體管背柵閾值電壓隨累積劑量的變化關系。圖6表示輻照后寬長比為10 μm/10 μm和10 μm/0.35 μm的晶體管在不同背柵偏置條件下由于總劑量引起的背柵閾值漂移，結(jié)果表明，在不加背柵偏置（Vbs=0 V）時，短溝道器件的閾值漂移量比長溝道器件更大。

圖5 W/L=10 μm/10 μm晶體管不同背偏下300 krad(Si)輻照后背柵轉(zhuǎn)移特性的變化Fig.5 Back gate transfer characteristics of W/L=10 μm/10 μm transistor irradiated by 300 krad(Si)varies with back-bias voltage

圖6 不同溝道長度晶體管在不同背偏下輻照后的閾值變化(a)Vbs=0 V，(b)Vbs=10 V，(c)Vbs=-10 VFig.6 Threshold changes of transistors with different channel lengths irradiated under different back bias(a)Vbs=0 V,(b)Vbs=10V,(c)Vbs=-10 V

針對實驗過程中不同背偏置對晶體管閾值的影響，并根據(jù)分離得到的氧化物陷阱電荷，進行了二維的TCAD器件仿真。由于輻照引入的界面陷阱電荷相對氧化物電荷小1～2個量級，因此輻照引起的晶體管參數(shù)退化主要由氧化物陷阱電荷引起，因此在仿真中忽略界面陷阱的影響。通過2D-TCAD對BOX層中的電場分布及強度的仿真結(jié)果可以看出，由于本實驗采用TG偏置，而短溝道器件BOX層中電場受源漏高電場影響，會在BOX層中產(chǎn)生渦旋型電場，在溝道下方會有指向上界面的電場，將輻照誘導的Not掃向上界面，但是對于長溝晶體管，源漏高場對其BOX層影響很小，如圖7（a）所示；在加正背柵偏置（10 V）時，會在BOX層中產(chǎn)生指向上界面的電場，但根據(jù)計算可以發(fā)現(xiàn)長溝晶體管BOX層中的平均電場（-E=6.8×105V·cm-1）大于短溝晶體管（-E=5.6×105V·cm-1），如圖7（b）所示，因此會使得長溝晶體管的閾值漂移量更大；加負的背偏時（-10 V）會在BOX層中產(chǎn)生指向下界面的電場，但受源漏電場的影響，短溝晶體管的BOX層中平均電場明顯大于長溝晶體管，更容易將輻射誘導產(chǎn)生的Not掃向下界面，因此長溝晶體管閾值漂移量更大。

圖7 不同溝道長度晶體管在不同背偏下BOX層電場強度變化(a)Vbs=0 V，(b)Vbs=10 V，(c)Vbs=-10 VFig.7 Intensity changes of electric field in BOX layer of different channel length transistors in different back bias(a)Vbs=0 V,(b)Vbs=10 V,(c)Vbs=-10 V

綜上所述，背柵偏置對短溝道晶體管的調(diào)控會受到源漏電場的影響，使得短溝晶體管在加背柵偏置時的閾值漂移量小于長溝晶體管。

3 結(jié)語

本文針對不同溝道長度PD SOI，在最劣偏置TG偏置并施加不同背柵偏置的條件下進行輻照實驗，研究其輻射損傷規(guī)律，在輻照過程中施加背柵偏置可以顯著增強長溝器件的輻射損傷。在實驗基礎上進行了二維T-CAD仿真，通過對隱埋氧化層中電場仿真進行了機理解釋。短溝道晶體管在施加背柵偏置時會受到源漏電壓的影響，從而使BOX層中電場分布及強度不同于長溝道晶體管，而長溝晶體管受源漏電壓影響可以忽略。

作者貢獻聲明王海洋：提出研究思路，設計實驗方案，并負責實驗的進行，數(shù)據(jù)處理以及論文起草；鄭齊文、崔江維：在實驗器件的準備和實驗過程中提供了有力的幫助，并在論文的初步構(gòu)思提供了指導意見；李豫東、郭旗：在論文的后期修改和完善部分給予了極大的幫助。