輻照源對LVMOS 器件總劑量輻射電離特性的影響*

陶 偉，劉國柱，宋思德，魏軼聃，趙 偉

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇無錫 214072）

1 引言

空間環(huán)境中存在X 射線、γ 射線等輻射源，金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）器件總劑量（TID）輻射電離效應(yīng)主要表現(xiàn)為高能光子或離子在氧化物中電離產(chǎn)生大量的離化電荷，而這些離化電荷的能量又會激發(fā)產(chǎn)生次級離化電荷，使離化電荷數(shù)量呈雪崩式增長，從而引起氧化層中陷阱電荷積累，誘導(dǎo)缺陷態(tài)和界面態(tài)的產(chǎn)生，導(dǎo)致器件性能退化，如閾值漂移和漏電[1-3]。

一般抗輻射電路的加固方法主要分為三大類：設(shè)計加固、版圖加固以及工藝加固。設(shè)計加固主要包括三模冗余技術(shù)、校驗糾錯編碼技術(shù)和電荷補(bǔ)充技術(shù)等；版圖加固主要有環(huán)形柵[4]、H 型柵和雙保護(hù)環(huán)加固；工藝加固主要通過改變柵氧化層的氧化方式[5-7]、氧化層的材料以及摻雜或者離子注入等實現(xiàn)。其中離子注入被認(rèn)為是最簡單高效的加固方式，因為它不僅與CMOS 工藝兼容，而且較容易控制，能在抗輻照和常態(tài)電學(xué)性能參數(shù)之間達(dá)到良好的折衷。

高能光子或離子入射到材料中與靶材料發(fā)生相互作用的物理機(jī)理主要包括康普頓效應(yīng)和光電效應(yīng)[8-13]。60Co 高能輻射電離效應(yīng)以康普頓效應(yīng)為主導(dǎo)，光子與靶材料原子的外層電子發(fā)生彈性碰撞，康普頓效應(yīng)與原子序數(shù)關(guān)系較小，當(dāng)沒有原子序數(shù)較大的材料與SiO2相連時，在Si 和SiO2中60Co 的光學(xué)吸收更加均一，因此不會出現(xiàn)劑量增強(qiáng)效應(yīng)[8-13]。X 射線輻射電離效應(yīng)則以光子與內(nèi)層電子作用的光電效應(yīng)為主，因為光學(xué)吸收與原子序數(shù)緊密關(guān)聯(lián)，光學(xué)吸收均一性差，原子序數(shù)大的材料中產(chǎn)生的光電子會在原子序數(shù)小的材料中產(chǎn)生能量沉積，所以會出現(xiàn)劑量增強(qiáng)效應(yīng)[8-13]。

本文針對MOS 器件的總劑量輻照效應(yīng)，采用淺槽隔離（STI）側(cè)壁注入和底部注入加固工藝方法，對比分析了60Co（315 keV）和X 射線（40 keV）輻照源對NMOS 器件的總劑量特性的影響。

2 原理及實驗

2.1 總劑量輻射電離效應(yīng)

在正柵偏壓作用下，MOS 結(jié)構(gòu)因總劑量輻射電離效應(yīng)引起電荷生成、傳輸和俘獲過程如圖1 所示[2,13-14]：（1）在高能粒子的輻射電離效應(yīng)作用下，在SiO2層內(nèi)產(chǎn)生大量電子或空穴，由于電子遷移率遠(yuǎn)大于空穴，在柵極電場作用下快速向柵極漂移，并移出SiO2層；（2）由于空穴輸運速度慢，在SiO2體內(nèi)發(fā)生局域態(tài)跳躍輸運，并在柵極電場作用下向Si/SiO2界面漂移；（3）空穴在Si/SiO2界面附近被陷阱俘獲形成正的氧化物陷阱電荷；（4）在一定偏置電壓和溫度條件下，輻射在SiO2/Si 界面處打破共價電荷鍵形成帶有負(fù)電荷的界面陷阱，或者因氫離子（質(zhì)子）跳躍式輸運到Si/SiO2界面處被陷阱俘獲，而形成帶有正電荷的氧化物界面陷阱電荷。這種總劑量電離效應(yīng)引起的電荷積累均會對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)生較大改變，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，器件發(fā)生功能性失效。

圖1 正柵偏壓下MOS 結(jié)構(gòu)總劑量輻射電離引起電荷生成、傳輸和俘獲過程[2,13-14]

2.2 實驗方法

2.2.1 STI 注入加固

STI 注入主要包括STI 側(cè)壁注入和槽底注入，并采用硬掩蔽層和B 離子注入來增大STI 側(cè)面和底部P-區(qū)表面的P 型雜質(zhì)的濃度，從而有效增大“STI/P-”區(qū)表面的反型閾值，抑制漏電通道，進(jìn)而可實現(xiàn)STI 總劑量電離輻射加固，具體的STI 注入加固方法如圖2所示。

圖2 STI 注入加固法[13]

2.2.2 TID 實驗

基于0.18 μm CMOS 工藝，采用STI 注入法對1.8 V LVNMOS 器件進(jìn)行總劑量加固，對比了60Co 和X 射線兩種輻照源條件對LVNMOS 器件的總劑量輻射電離效應(yīng)的影響（X 射線：40 keV；60Co：315 keV），其中，兩種輻照源的劑量率均采用50 rad(Si)/s；ON 偏置條件為柵端電壓VG=1.98 V，其余端口電壓為0 V；OFF偏置條件為漏端電壓VD=1.98 V，其余端口電壓為0 V。LVNMOS 器件總劑量輻照實驗條件如表1 所示。

3 分析與討論

3.1 輻照機(jī)理分析

輻照過程中，光子與原子外層電子的相互作用會產(chǎn)生大量的電子-空穴對。在未復(fù)合的電子-空穴對中，電子被電場移走，剩下的空穴會以氧化物電荷和界面態(tài)的方式對體系的電性能產(chǎn)生影響。對于60Co 和X 射線輻照，在低氧化物電場作用下，大部分電子-空穴對發(fā)生復(fù)合，而在高氧化物電場作用下，復(fù)合的電子-空穴對數(shù)目顯著降低。

依據(jù)能量和動量守恒原則，光電效應(yīng)主要發(fā)生在K 層，其非相對論效應(yīng)與相對論效應(yīng)的光電效應(yīng)表達(dá)式分別為[8-13]：

其中σK為K 層的光電截面，α 為精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)，m0c2為電子的靜止能量，hυ 為X 射線光子的能量，σTH為6.65×10-25cm2，Z為原子序數(shù)。

對于不同種類的元素，因為σK正比于Z5，所以Z越大的原子發(fā)生光電效應(yīng)的概率越大；X 射線穿過高Z材料和低Z材料形成的界面時，高Z材料吸收劑量高于低Z材料，由高Z材料產(chǎn)生的光電子進(jìn)入SiO2會產(chǎn)生電子-空穴對，未復(fù)合的電子-空穴對在電場下會產(chǎn)生氧化物電荷和界面態(tài)；同時，當(dāng)X 射線穿過Si 和SiO2時，因為Si 和SiO2的平均原子量不同，Si 吸收大于SiO2，所以電子在移向SiO2進(jìn)行能量沉積后，會在器件的界面附近產(chǎn)生劑量增強(qiáng)，使得損傷效果強(qiáng)于相同劑量的γ 射線[8-13]。

對于不同能量的輻照源，σK反比于入射光子的能量，高能光子入射后發(fā)生光電效應(yīng)的概率更小，所以從光電截面角度考慮，60Co（315 keV）引發(fā)光電效應(yīng)的概率小于X 射線（40 keV）[8,13]。X 射線光電效應(yīng)產(chǎn)生的光電子從Si 和高Z材料進(jìn)入界面附近區(qū)域中，形成能量沉積，引起界面的劑量增強(qiáng)[7]。即，Si 和高Z材料中產(chǎn)生的電子漂移到SiO2側(cè)界面處，使得輻照過程中氧化物中的電荷增多，帶正電的氧化物電荷會促進(jìn)光電子向SiO2遷移，進(jìn)而使得電性能退化增大。

3.2 實驗數(shù)據(jù)分析

本文采用60Co 輻照源（315 keV）研究了LVNMOS器件的總劑量輻射效應(yīng)，其中LVNMOS 器件采用STI加固工藝技術(shù)。在ON/OFF 偏置條件下，總劑量分別為50 krad(Si)、100 krad(Si)、150 krad(Si)時，LVNMOS 轉(zhuǎn)移特征曲線ID-VG如圖3 所示，ID為漏電流。實驗發(fā)現(xiàn)，OFF 偏置條件下，總劑量達(dá)到150 krad (Si)時LVNMOS 器件的閾值漂移量僅為約－0.02 V；ON 偏置條件下，隨著總劑量的提升，其關(guān)態(tài)ID呈現(xiàn)增加趨勢，當(dāng)總劑量達(dá)到150 krad(Si)時，LVNMOS 器件的閾值漂移量僅為約－0.36 mV，VG=0.014 V，ID達(dá)到納安級以上。由此可見，OFF 偏置對LVNMOS 器件的漏電與閾值漂移幾乎沒有影響，而ON 偏置對LVNMOS器件的漏電影響顯著，綜合分析，在60Co 輻照源條件下，該LVNMOS 器件的TID 能力在100 krad(Si)左右。

圖3 60Co 輻照源下的LVNMOS 轉(zhuǎn)移特征曲線

同時，本文也采用40 keV 的X 射線輻照源評估了LVNMOS 器件的TID 能力。在ON 偏置條件下，總劑量分別為50 krad(Si)、75 krad(Si)、100 krad(Si)時，LVNMOS 轉(zhuǎn)移特征曲線ID-VG如圖4 所示。實驗發(fā)現(xiàn)，隨著總劑量的提升，其關(guān)態(tài)漏電呈現(xiàn)增加趨勢，當(dāng)總劑量達(dá)到50 krad (Si) 時，LVNMOS 器件的關(guān)態(tài)ID（VD=1.8 V）達(dá)到納安級以上，閾值電壓漂移量為毫伏級。

圖4 X 射線輻照源下的LVNMOS 轉(zhuǎn)移特征曲線

對比60Co 和X 射線兩種輻照源條件對同種LVNMOS 器件的總劑量輻射電離效應(yīng)的影響，研究了因總劑量輻照效應(yīng)使源/漏（S/D）場邊緣寄生管開啟，導(dǎo)致器件內(nèi)部源/ 漏漏電的問題。源/ 漏端ID（VG=0.014 V，VD=0.1 V/1.8 V）與總劑量之間的關(guān)系如圖5所示，輻射偏置條件為ON 態(tài)（VG=1.98 V）。X 射線輻照引起的ID與總劑量近似成線性增強(qiáng)的關(guān)系[TID：0～100 krad(Si)]，而60Co 引起LVNMOS 的ID與總劑量呈現(xiàn)兩段近似線性增長關(guān)系，當(dāng)TID 大于等于100 krad(Si)時，ID的變化趨勢與60Co 基本一致，以ID小于1 nA 計為TID 能力的判據(jù)，則經(jīng)過X 射線輻照源的LVNMOS 器件TID 能力小于25 krad(Si)，而經(jīng)過60Co 輻照源的LVNMOS 器件TID 能力可達(dá)到125 krad(Si)。分析其原因，60Co 與X 射線兩種輻照源引起的MOS 器件輻射電離效應(yīng)是完全不一樣的，前者是康普頓效應(yīng)和光電效應(yīng)共同作用，后者主要是光電效應(yīng)，是光子與內(nèi)層電子作用，因此，根據(jù)LVNMOS器件漏電特性可以推斷，X 射線輻照源引起LVNMOS的SiO2層產(chǎn)生的電子與空穴高于60Co。

圖5 LVNMOS 器件源/漏端漏電流與不同輻照源總劑量之間的關(guān)系

4 結(jié)論

本文采用STI 注入加固方法對1.8 V MOS 器件進(jìn)行總劑量加固，并對比分析了60Co（315 keV）和X 射線（40 keV）輻照源對NMOS 器件總劑量特性的影響。研究結(jié)果表明：（1）60Co 與X 射線對MOS 器件引起的輻射電離效應(yīng)主要差異表現(xiàn)為前者是康普頓效應(yīng)和光電效應(yīng)共同作用，后者是光電效應(yīng)，是光子與內(nèi)層電子作用；（2）經(jīng)過STI 加固，OFF 偏置對LVNMOS 器件的漏電與閾值漂移幾乎沒有影響，其TID 能力可達(dá)150 krad(Si)，而ON 偏置對LVNMOS 器件的漏電影響顯著，且在60Co 輻照源條件下，該LVNMOS 器件的TID 能力約為100 krad(Si)；(3) X 射線輻照源下LVNMOS 器件的TID 能力小于25 krad(Si)，而60Co 輻照源下LVNMOS 器件的TID 能力可達(dá)到125 krad(Si)，推測其主要原因為X 射線輻照源引起LVNMOS 周圍環(huán)境的SiO2層產(chǎn)生的電子與空穴高于60Co。