何玉娟,羅宏偉,恩云飛,張正選

1.電子元器件可靠性物理及其應(yīng)用技術(shù)國防科技重點實驗室,廣州 510610;2.中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所,上海 200050

2.Shanghai Institude of Microsystem and Information Technology,Shanghai 20050,China

與傳統(tǒng)的體硅集成電路相比,使用 SOI材料制作的集成電路在抗單粒子效應(yīng)(SEE)及高劑量率瞬態(tài)輻照方面具有顯著的優(yōu)勢。SOI結(jié)構(gòu)與體硅結(jié)構(gòu)最大的區(qū)別在于 SOI在頂層硅膜與硅襯底之間引入絕緣層作為介質(zhì)隔離層,其中用作絕緣層的氧化物稱為埋氧層,器件的有源區(qū)則位于埋氧層上的硅膜內(nèi)。此埋氧層一方面使器件的 p-n結(jié)面積較小,從而降低了其收集電離電荷的能力;另一方面也使埋層以下的襯底中的電離電荷不能進入器件的結(jié)區(qū)被收集。然而,埋氧層的存在使 SOI結(jié)構(gòu)的總劑量效應(yīng)更加復(fù)雜,因為總劑量電離損傷來自輻照在氧化物中產(chǎn)生的電荷俘獲以及界面態(tài),SOI器件獨有的埋氧層在電離輻射效應(yīng)中會存在電荷俘獲,這些俘獲電荷將導(dǎo)致器件閾值電壓漂移,引起泄漏電流的增加。

我國內(nèi)主要使用60Coγ射線作為輻射源對微電子器件和電路進行空間輻照實驗的模擬,但 X射線作為輻射源具有安全、劑量率控制準確、劑量率高等特性,能大大降低封裝、測試、運輸?shù)某杀?提高研發(fā)效率[1-8]。SOI器件 10keV X射線和60Coγ射線總劑量輻射效應(yīng)的比較研究在國內(nèi)并未見發(fā)表,而國際上 M.R.Shaneyfelt[9]等人曾研究了在兩種輻射源下柵氧層電場強度對體硅 MOS器件總劑量效應(yīng)的比例關(guān)系,但未對不同偏置情況進行研究。本文采用 10 keV X射線和60Coγ射線對 SOIn-MOSFET在不同偏置條件下進行總劑量輻照試驗,并分析SOI器件在這兩種輻射源下輻照前后閾值電壓的變化情況,比較這兩種輻射源對 SOI n-MOSFET總劑量效應(yīng)的影響情況。

1 實驗樣品與條件

此次試驗樣品為 3μ工藝 SOIn-MOSFET,埋氧層厚度為 375 nm,采用 SIMOX工藝制成。由于條柵、H型柵等柵結(jié)構(gòu)的 SOI n-MOSFET在輻照中存在較大的泄漏電流,因此本次試驗采用環(huán)柵結(jié)構(gòu)的SOI器件。

輻照所使用的輻射源有兩種:10 keV X射線和60Coγ射線。其中 10keV X射線輻照試驗在電子元器件可靠性物理及其應(yīng)用技術(shù)國防科技重點實驗室的 X射線輻射系統(tǒng)上進行,輻射劑量率為 250 rad(Si)/s,輻射總劑量為 0～1.5×106rad(Si);60Coγ射線輻照試驗在中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所進行,輻射源能量為 7×104Curie,輻射劑量率為240 rad(Si)/s,輻射總劑量為 0～1×106rad(Si)。

輻照試驗中采用 3種偏置條件,其偏置情況如表 1所示。每種偏置狀態(tài)輻照了 3只樣品,并剔除異常數(shù)據(jù)后取其平均值。SOI器件的參數(shù)測量是在半導(dǎo)體器件參數(shù)精密測量儀 HP4155B上完成的。對輻照 SOI器件的測試是在輻照到一定總劑量后移位進行測試的,且每次測試都是在輻照完成后20min內(nèi)進行的。

表 1 SOIn-MOSFET輻照偏置條件

2 實驗結(jié)果與分析

采用 10 keV X射線和60Coγ射線輻射源對 SIMOX SOI n-MOSFET在不同偏置條件下進行總劑量輻照試驗,SOI器件的前柵和背柵器件的閾值電壓漂移隨總劑量的變化情況見圖 1所示。

圖 1 SOIn-MOSFET在X射線和60 Coγ射線輻射源下,不同偏置條件時閾值電壓漂移值隨總劑量變化情況

圖 1(a)中可以看出,SOI n-MOSFET的前柵特性中在 ON、OFF和 PG偏置條件下60Coγ射線輻照導(dǎo)致的閾值電壓漂移值大于 X射線輻照下的漂移值,特別是 ON偏置條件下,在 1×106rad(Si)總劑量條件下,X射線輻照引起的閾值電壓漂移值為-1.4 V,而60Coγ射線輻照導(dǎo)致的閾值電壓漂移值達到 -2.1 V,增大了近 1/2。

SOIn-MOSFET的背柵特性在 ON和 PG偏置條件時,X射線輻照引起的閾值電壓漂移值比60Coγ射線輻照引起的閾值電壓漂移值大約 10%～20%,而 OFF偏置條件下這兩種射線導(dǎo)致的閾值電壓漂移值相差不大,如圖 1(b)所示。

從圖 2可以看出,SOIn-MOSFET前柵和背柵器件在不同輻照偏置下的 α值是隨輻照總劑量的增大而發(fā)生變化的,并不是恒定不變。前柵器件的 α值在 ON、OFF和 PG偏置條件下都是隨著總劑量的增加而增大的;背柵器件的 α值在 PG偏置時隨總劑量的增加而增大,而在 ON和 OFF偏置時則隨之減小。SOIn-MOSFET前柵器件在總劑量 1×106rad(Si)時在 PG偏置時的 α值最大,達到 0.75,而ON和 OFF偏置時則 α值約為 0.6;在總劑量 1×105rad(Si)時,OFF偏置時 α值最小,只有 0.36,PG偏置時 α值最大,達到 0.53。SOI n-MOSFET背柵器件在總劑量1×105rad(Si)時,三種偏置的 α值都約為 0.9;在總劑量 1×106rad(Si)時,ON偏置時的α值最大,達到 1.0,PG偏置時的 α值最小,只有0.76。

圖 2 SOIn-MOSFET不同偏置條件下輻照后α值隨輻照總劑量變化關(guān)系:(a)正柵特性 (b)背柵特性

X射線與60Coγ射線源輻照后的閾值電壓漂移值比率不為 1的原因可能是60Coγ射線和 X射線源之間存在復(fù)合多少的問題,由于60Coγ射線和 X射線源的遏制功不同,60Coγ射線源適用于圓柱模型,而 X射線源適用于偏成對模型的中間態(tài)模型。由于60Coγ射線和 X射線源的光譜的不確定性,其光譜之間存在較大的差異。故此兩種輻射源之間的物理的基本作用是不同的。10 keV X射線發(fā)出的光子與材料的相互作用為光電子吸收,而光電子吸收的橫截面強烈依賴于目標材料,在硅中為 32 cm2/g,在二氧化硅中為 18 cm2/g。而60Coγ射線發(fā)出的高能光子與材料之間的相互作用一般為 Compton散射,光子與電子互相作用并給予其大部分能量,其殘留物由二次電子所獲得。由于目標電子的鍵合能相對光子能量可以被忽略,所以目標電子可以做自由電子處理,則 Compton橫截面與目標材料無關(guān)。對于 1 MeV光子,硅和二氧化硅的 Compton橫截面為0.06 cm2/g。

對于這兩種輻射源,對氧化層輻照的劑量大部分都由二次電子傳輸,所以在考慮這兩種源時,其在電荷產(chǎn)生和復(fù)合上有兩個不同:①X射線對器件的輻照存在劑量增強效應(yīng),這是因為硅和二氧化硅之間光電子吸收橫截面不同所導(dǎo)致的,而60Coγ射線在硅和二氧化硅中的 Compton散射橫截面是相同的,所以不存在劑量增強效應(yīng)。②10 keV X射線相對60Coγ射線而言,其遏制功大了 10倍,即 X射線照射氧化層中的復(fù)合效應(yīng)更加強烈。

由于存在劑量增強效應(yīng)和復(fù)合效應(yīng)差異這兩種狀況,所以對于60Coγ射線和 X射線對比的情況較復(fù)雜,氧化層厚度(與劑量增強效應(yīng)有關(guān))及電場情況(與復(fù)合效應(yīng)有關(guān))等外部因素都可能會影響這兩種射線輻照效應(yīng)的比率。

因此在樣品和輻照條件相同的情況下,60Coγ射線和 X射線源主要在電荷的產(chǎn)生和復(fù)合上存在不同,而不同的器件工藝條件,電荷產(chǎn)生和復(fù)合情況是不同的,因此在此次實驗中,60Coγ射線和 X射線源對 SOI n-MOSFET輻照引起的閾值電壓漂移趨勢是相同的,但是閾值電壓漂移量上存在少許差異。

3 結(jié)論

采用 10 keV X射線和60Coγ射線為輻射源對SOIn-MOSFET在不同偏置條件下進行輻照,對輻照結(jié)果進行分析和比較,結(jié)果表明,SOI器件的 X射線與60Coγ射線輻照后閾值電壓漂移值的比率 α值并不為 1,前柵特性中 α值在 3種偏置條件下都隨總劑量增大而增加,而背柵特性中 α值在 PG偏置下隨總劑量增大而變大,而 ON和 OFF偏置時 α值隨總劑量增大而變小。其原因很可能是 SOI器件在 X射線與60Coγ射線中復(fù)合模型不同,使其在氧化層中陷阱電荷的產(chǎn)生率和復(fù)合率都存在差異,從而導(dǎo)致 X射線與60Coγ射線輻照后閾值電壓漂移值的比率不為 1,且隨著氧化層厚度及電場強度的不同而發(fā)生改變。

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何玉娟(1981-),女,漢族,籍貫江西,2006年 6月畢業(yè)于華南理工大學(xué)微電子專業(yè),獲碩士學(xué)位,現(xiàn)在工業(yè)和信息化部電子第五研究所電子元器件可靠性物理及其應(yīng)用技術(shù)國防科技重點實驗室進行器件與電路的 X射線輻射方面的研究,heyu0000@126.com。