陳海波, 吳建偉, 李艷艷, 謝儒彬, 朱少立, 顧 祥

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

總劑量加固對SOI NMOS器件抗輻射特性的影響

陳海波, 吳建偉, 李艷艷, 謝儒彬, 朱少立, 顧 祥

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

采用埋層改性工藝對部分耗盡SOI NMOS器件進行總劑量加固，通過測試器件在輻射前后的電學性能研究加固對SOI NMOS器件抗輻射特性的影響。加固在埋氧層中引入電子陷阱，輻射前在正負背柵壓掃描時，電子陷阱可以釋放和俘獲電子，導致背柵閾值電壓產(chǎn)生漂移，漂移大小與引入電子陷阱的量有關。通過加固可以有效提高器件的抗總劑量輻射特性，電子陷阱的量對器件的抗輻射性能具有顯著影響。

離子注入；SOI；NMOSFET；總劑量輻射

1 引言

SOI技術憑借其良好的抗閂鎖和抗瞬時輻射效應的能力，用以生產(chǎn)高可靠、高抗輻射的電子器件[1~2]。但由于絕緣埋層（BOX）的存在，使得SOI器件在抗總劑量電離輻射方面并不比體硅技術占優(yōu)勢。因此如何提高SOI器件的抗總劑量能力成為研究的熱點[3~4]。Lee等人在熱氧化SiO2上通過沉積氮化硅薄膜的方法，制備出的MNOS（Metal-Nitride-Oxide-Semiconductor）電容具有較強的抗總劑量輻射能力[5]；武光明等人通過向SOI材料埋層注入F+也能提高 CMOS/SOI器件的抗電離輻射能力[6]；張恩霞、張正選等人通過氮離子注入、氮氧共注入以及硅離子注入的方法對SOI材料進行加固，都取得了較好的加固效果[7~9]。

通過對SOI材料埋層進行改性，在埋層中引入電子陷阱，電子陷阱能夠俘獲輻射產(chǎn)生的電子，從而減少總劑量輻射引起的正電荷積累對器件性能的影響。實驗發(fā)現(xiàn)，電子陷阱會引起SOI NMOS器件的背柵閾值電壓在正負偏壓下產(chǎn)生漂移，如圖1所示。背柵0~60 V掃描時，結果如圖1（a）；-150~150 V雙向掃描時，結果如圖1（b），負電壓正向掃描，轉移特性曲線向負向漂移，背柵閾值電壓為Vbth+，正電壓負向掃描，轉移特性曲線向正向漂移，背柵閾值電壓為Vbth-，兩者之差稱之為測試背柵閾值電壓漂移ΔVbth1。目前國內(nèi)外鮮見類似報道。因此本文采用埋層加固工藝制備部分耗盡型NMOS晶體管，通過測試其輻射前背柵閾值電壓漂移和輻射后器件的電學特性的對應關系，研究了加固引入的電子陷阱對SOI NMOS器件抗電離總劑量輻射性能的影響。

圖1 正負偏壓下SOI NMOS器件背柵轉移特性曲線

2 實驗

實驗樣品為中國電科58所0.8 μm加固工藝制備的SOI NMOS器件（H型柵結構），所用材料為標準SOI材料，頂層硅膜厚度為205±10 nm，埋氧層厚度為375±10 nm，襯底為P型硅，（100）晶向，電阻率為10～20 Ω·cm。電離輻射實驗在中國科學院上海應用物理研究所的60 Co ?射線源上進行，選取的劑量率為100 Rad(Si)/s，總劑量點為300k Rad(Si)，500k Rad(Si)，750k Rad(Si)，1000k Rad(Si)，2000k Rad(Si)，輻射實驗過程中施加偏置條件。輻射前測試不同加固工藝NMOS器件在正負偏壓下的背柵轉移特性曲線，輻射后測試NMOS器件正柵和背柵的轉移特性曲線，測試在KEITHLEY 4200半導體分析測試儀上進行，每次測試均在30 min內(nèi)完成，測試方法如表1所示。

表1 背柵閾值電壓測試方法

3 實驗結果

3.1加固對器件背柵特性的影響

圖2是輻射前不同工藝條件下，寬長比為8/0.5的NMOS器件在-150 V~150 V雙向掃描時的背柵轉移特性曲線，其中1#、2#為加固工藝，3#為未加固工藝。定義ID=1 nA時的背柵電壓為閾值電壓Vbth，其輻射前背柵閾值電壓統(tǒng)計如表2所示。

圖2 不同工藝條件下NMOS器件背柵轉移特性曲線

表2 不同工藝條件下NMOS器件背柵閾值電壓

從圖2可以看出，經(jīng)過加固工藝制備的NMOS器件在-150 V~150 V偏壓下雙向掃描時，背柵轉移特性曲線出現(xiàn)了漂移，而未經(jīng)加固的器件不存在這種現(xiàn)象；并且不同的加固條件，其背柵漂移量也不同。1#、2#加固工藝背柵漂移量大小分別為56 V和100 V，這是由于不同加固工藝在埋層中所引入的電子陷阱的量不同造成的，引入的電子陷阱越多，漂移量越大。電子陷阱依據(jù)其處于禁帶中相對位置的不同可分為深電子陷阱和淺電子陷阱。深電子陷阱在俘獲電子后狀態(tài)穩(wěn)定，不易失去電子，能在埋層中形成較為穩(wěn)定的固定負電荷。而淺電子陷阱在俘獲電子后狀態(tài)不穩(wěn)定，容易再次失去電子，是一種亞穩(wěn)態(tài)的電子陷阱。在經(jīng)過-150 V~150 V雙向掃描時，背柵電場對背柵Si/SiO2界面附近的電子陷阱進行電子釋放和注入。以SOI NMOS器件為例，如圖3所示（圖中Poly-gate表示背柵）：（a）表示未加固的背柵Si/SiO2界面處能帶示意圖，忽略功函數(shù)，氧化層中固定電荷等影響；（b）表示通過抗輻射加固工藝在BOX（埋層二氧化硅）層與頂層硅的界面處引入了大量的電子陷阱；（c）當背柵負柵壓正向掃描時，頂層硅背界面處的能帶向上彎曲，當存在足夠電場強度的情況下，在加固工藝過程中被電子陷阱俘獲的電子會向臨近的電子陷阱進行遷移，最后離開BOX層，相當于在BOX中引入大量的正電荷，此時背柵閾值電壓向負方向漂移；（d）當背柵正柵壓負向掃描時，頂層硅背界面處的能帶向下彎曲，當電場強度達到一定程度時，頂層硅界面處的電子通過隧穿的方式到達BOX層中的電子陷阱，不僅能夠填補由于負向電場失去的電子（工藝中已經(jīng)占據(jù)的電子），而且能夠向電子陷阱中繼續(xù)填充電子，使BOX出現(xiàn)大量的負電荷，使背柵閾值電壓大幅向正向漂移。

圖3 加固工藝引入缺陷的特性示意圖

3.2加固對器件抗輻射特性的影響

實驗發(fā)現(xiàn)，隨著輻射劑量的增加，在背柵ON偏置狀態(tài)下（背柵接VDD）器件性能退化最為嚴重。圖4是3種工藝條件制備的NMOS器件在背柵ON偏置下經(jīng)過300k Rad(Si)總劑量輻射后的背柵轉移特性曲線。由圖可知，經(jīng)過300k Rad(Si)總劑量輻射后，不同工藝條件下制備的NMOS器件的背柵轉移曲線均向負向漂移，背柵閾值電壓漂移量ΔVbth2的大小依次為3#>1#>2#，且均出現(xiàn)了一定程度的背柵漏電，3#未加固工藝條件下的NMOS器件在背柵壓為0時，漏電水平已達1 nA以上；1#、2#加固工藝條件下的NMOS器件漏電水平在0.01 nA以下，閾值電壓漂移量分別為13 V、6.5 V，滿足工程應用要求，結合輻射前的背柵閾值電壓漂移ΔVbth1分析可知，加固引入的電子陷阱越多，輻射后其背柵閾值電壓漂移ΔVbth2越小，其抗總劑量輻射特性也就越好，輻射前背柵閾值電壓漂移ΔVbth1與輻射后背柵閾值電壓漂移ΔVbth2呈負相關關系。

圖4 300k Rad(Si)總劑量輻射下NMOS器件的背柵轉移特性曲線

基于最劣偏置對不同工藝條件下NMOS器件抗總劑量特性的研究，選擇經(jīng)過加固2#和未加固3#工藝條件制備的NMOS器件，在前柵ON偏置狀態(tài)下（前柵接VDD）研究不同電離劑量對器件抗輻射特性的影響。

圖5給出不同輻射劑量下未經(jīng)過加固制備的NMOS器件的轉移特性曲線，其中圖5（a）是正柵的轉移特性曲線，圖5（b）是背柵的轉移特性曲線。由圖可知，未經(jīng)過加固的NMOS器件在輻射條件下，背柵轉移特性曲線隨著總劑量增加而不斷負向漂移，當輻射劑量達到500k Rad(Si)、背柵電壓為0 V時，背柵漏電已接近1 nA，輻射劑量達到750k Rad(Si)，背柵已嚴重漏電，背界面溝道反型開啟。相應的正柵在輻射環(huán)境下電學性能嚴重退化，正柵電壓為0 V時器件已經(jīng)開啟，且隨著輻射劑量的增加，漏電水平呈量級增加，直至器件完全失效。

圖6給出不同輻射劑量下，經(jīng)過加固制備的NMOS器件的轉移特性曲線，其中圖6（a）為正柵的轉移特性曲線，圖6（b）是背柵的轉移特性曲線。由圖可知，加固的NMOS器件經(jīng)過總劑量輻射以后，背柵轉移特性曲線隨著總劑量增加而不斷負向漂移，當輻射劑量達到2 000k Rad(Si)，背柵開啟電壓大于20 V，背柵閾值電壓漂移-13 V，漏電水平低于0.01 nA，相應正柵的漏電維持在1 pA水平，輻射對器件的正柵和背柵沒有產(chǎn)生明顯影響。由此可以得出，經(jīng)過加固的NMOS器件具有較好的抗總劑量輻射能力。

圖5 未加固的NMOS器件正柵和背柵的轉移特性曲線

圖6 加固的NMOS器件正柵和背柵的轉移特性曲線

4 結論

本文對SOI材料埋層進行總劑量加固，并在加固和未加固SOI材料上制備部分耗盡NMOS器件，研究器件的背柵轉移特性和總劑量輻射效應，結果表明：通過加固可以有效提高器件的抗總劑量輻射特性，加固在埋層中引入電子陷阱，在正負偏壓下掃描時，背柵電場對背柵Si/SiO2界面附近的電子陷阱進行電子釋放和電子注入，導致器件背柵閾值電壓產(chǎn)生漂移，加固引入的電子陷阱越多，輻射前正負偏壓下的背柵閾值電壓漂移ΔVbth1越大，輻射后背柵閾值電壓漂移ΔVbth2越小，其抗總劑量特性越好。對于電子陷阱在埋層中的分布狀態(tài)，還有待進一步研究。

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Effect of Ion Implantation for Total Dose Irradiation on Performance of SOI NMOS Devices

CHEN Haibo, WU Jianwei, LI Yanyan, XIE Rubin, ZHU Shaoli, GU Xiang
（China Electronics Technology Group Corporation No.58Research Institute,Wuxi214035,China）

PD SOI NMOSFET was hardened for total dose irradiation by changing the performance of buried oxides, and effects were studied through measuring their electrical performance before and after radiation. It was found that the hardening process introduced electron trap, which induced the drifting of back gate threshold value under positive and negative electric field, the drifting was related to the amount of electron traps. The hardening process made the devices more tolerant to total dose radiation, and the amount of electron traps had significant influence on the irradiation performance of the devices.

ion implantation; SOI; NMOSFET; total dose radiation

TN306

A

1681-1070（2014）12-0033-04

陳海波（1986—），男，河南商丘人，碩士，2013年畢業(yè)于西北工業(yè)大學材料學系，主要從事MOS器件輻照可靠性研究工作，在器件和電路的輻照效應方面積累了較豐富的經(jīng)驗。

2014-08-18