65 nm互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)和晶體管總劑量效應(yīng)及損傷機(jī)制?

馬武英 姚志斌? 何寶平 王祖軍 劉敏波劉靜 盛江坤 董觀(guān)濤 薛院院

1)(強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710024)2)(西北核技術(shù)研究所,西安 710024)

(2017年11月28日收到;2018年2月7日收到修改稿)

對(duì)65 nm互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體工藝下不同尺寸的N型和P型金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(NMOSFET和PMOSFET)開(kāi)展了不同偏置條件下電離總劑量輻照實(shí)驗(yàn).結(jié)果表明:PMOSFET的電離輻射響應(yīng)與器件結(jié)構(gòu)和偏置條件均有很強(qiáng)的依賴(lài)性,而NMOSFET表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗總劑量性能;在累積相同總劑量時(shí),PMOSFET的輻照損傷遠(yuǎn)大于NMOSFET.結(jié)合理論分析和數(shù)值模擬給出了PMOSFET的輻射敏感位置及輻射損傷的物理機(jī)制.

1 引 言

航天器在空間天然輻射環(huán)境中的高可靠、長(zhǎng)壽命的需求對(duì)系統(tǒng)中電子器件的性能要求很高,需要其具備高性能和強(qiáng)抗輻射能力[1?3].為了滿(mǎn)足空間應(yīng)用需求,新一代航天器等先進(jìn)裝備采用納米器件已成為必然,而獲得納米器件在空間輻射環(huán)境中的響應(yīng)規(guī)律及損傷物理機(jī)制是其空間應(yīng)用的前提[2].

當(dāng)集成電路進(jìn)入到深亞微米領(lǐng)域時(shí),金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(metal-oxide semiconductor fieldeffect transistor,MOSFET)的總劑量效應(yīng)(total dose effect,TID)表現(xiàn)出一些新的特點(diǎn)[4?8]:柵氧化層越來(lái)越薄;由于柵氧化層本身的尺寸和隧穿電流的影響,柵氧化層對(duì)MOSFET輻照特性影響很小.氧化層積累輻照產(chǎn)生固定正電荷的能力與氧化層厚度密切相關(guān),厚度越大,積累的固定正電荷越多,而淺槽隔離(shallow trench isolation,STI)氧化層的厚度比柵氧化層約高兩個(gè)數(shù)量級(jí),成為MOSFET在長(zhǎng)時(shí)間輻照作用下受影響最嚴(yán)重的區(qū)域,STI退化直接影響N型金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(N-metal-oxide semiconductor field-effect transistor,NMOSFET)漏電流增大,閾值電壓漂移;對(duì)于PMOSFET,STI氧化層中輻射感生缺陷并不會(huì)導(dǎo)致漏電流增大,但表面區(qū)域載流子濃度的增加會(huì)使得有效溝道變窄,表現(xiàn)為閾值電壓的負(fù)漂.劉張李等[9]對(duì)0.18μm MOSFET總劑量效應(yīng)進(jìn)行了研究,指出STI氧化層是輻射敏感區(qū)域;Peng等[10]對(duì)0.13μm部分耗盡型(partially depleted,PD)硅基(silicon-on-insulator,SOI)NMOSFET的總劑量效應(yīng)開(kāi)展了研究,指出STI寄生晶體管的閾值電壓決定了器件的抗輻射性能;Ding等[11]對(duì)65 nm P型金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(P-metal-oxide semiconductor fieldeffect transistor,PMOSFET)開(kāi)展了總劑量效應(yīng)研究,指出STI氧化層是造成其輻射損傷的敏感位置,但這一結(jié)論并不能解釋我們看到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,即實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的NMOSFET抗總劑量性能優(yōu)于PMOSFET.此外,對(duì)于65 nm工藝尺寸器件,溝道摻雜濃度的提高,致使STI層中感生缺陷對(duì)于器件輻射性能的影響越來(lái)越弱.輕摻雜漏(lightly doped drain,LDD)工藝是互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)集成電路進(jìn)入亞微米后應(yīng)用最廣泛的技術(shù),該技術(shù)很好地改善了溝道電場(chǎng)分布,避免了在器件漏端的強(qiáng)場(chǎng)效應(yīng),從而提高了器件的可靠性,而LDD區(qū)域上方側(cè)墻氧化層中輻射感生產(chǎn)物對(duì)器件性能退化起著至關(guān)重要的作用[12,13].Gerardin等[14]研究了0.13μm尺寸MOSFET的質(zhì)子輻射響應(yīng),定性地指出輻射在LDD區(qū)域上氧化層和柵氧化層中的感生缺陷是造成PMOSFET性能退化的主要因素.然而,針對(duì)65 nm MOSFET的LDD區(qū)是否是其輻射敏感位置以及其輻射損傷的物理機(jī)制并未引起關(guān)注.

本文選取65 nm CMOS工藝NMOSFET和PMOSFET為研究對(duì)象,開(kāi)展了總劑量效應(yīng)實(shí)驗(yàn),并探索了其在不同偏置條件下的輻射響應(yīng).結(jié)合理論分析與數(shù)值仿真研究,獲得了65 nm CMOS工藝NMOSFET和PMOSFET輻射響應(yīng)的物理機(jī)制.

2 實(shí)驗(yàn)條件

輻照實(shí)驗(yàn)在西北核技術(shù)研究所60Co γ射線(xiàn)源上進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)樣品是在65 nm CMOS工藝線(xiàn)上流片的不同寬長(zhǎng)比的NMOSFET和PMOSFET.對(duì)樣品采用兩種偏置進(jìn)行輻照,詳細(xì)偏置信息如表1所列,其中W/L為器件的長(zhǎng)寬比;Vg,Vs,Vd分別為柵極、源極和漏極電壓.輻照劑量率為50 rad(Si)/s,分別在300 krad(Si),500 krad(Si)及1 Mrad(Si)時(shí)利用半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試儀對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品的轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)進(jìn)行測(cè)量.

表1 樣品信息及偏置條件Table1.Sample information and bias conditions.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖1給出了NMOSFET在50 rad(Si)/s的劑量率輻照前后的轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)的變化趨勢(shì),累積總劑量為1 Mrad(Si).從圖1中可以看出,NMOSFET在輻照前后的轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)沒(méi)有明顯變化.此外,在不同偏置條件下輻照時(shí),NMOSFET的閾值電壓變化量沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的差異.

圖1 NMOSFET輻照前后轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)變化趨勢(shì)Fig.1.Id-Vgcharacteristics of NMOSFETs before and after exposure to a total dose of 1 Mrad(Si).

圖2給出了PMOSFET輻照前后轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)的變化趨勢(shì).從圖2中可以看出,PMOSFET在輻照后的閾值電壓發(fā)生了明顯漂移.表2給出了不同偏置條件下,不同工藝尺寸PMOSFET的閾值電壓隨總劑量變化的規(guī)律.從表2可以看出,不同偏置條件下,PMOSFET輻射響應(yīng)存在差異,具體表現(xiàn)為開(kāi)態(tài)輻照偏置的輻射損傷強(qiáng)于零偏.

圖2 PMOSFET輻照前后轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)Fig.2.Id-Vgcharacteristics of PMOSFETs before and after exposure to a total dose of 1 Mrad(Si).

表2 不同偏置條件下,不同工藝PMOSFET閾值電壓輻照前后的變化量Table2.Vthshifts for PMOSFET versus total does at Different channel length and radiation bias conditions.

表3 NMOSFET與PMOSFET的輻射損傷程度比較(TID=1 Mrad(Si))Table3.Comparison of radiation damage in PMOSFET and NMOSFET(TID=1 Mrad(Si)).

4 討 論

65 nm MOSFET總劑量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同于深亞微米0.18μm MOSFET的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,深亞微米MOSFET中STI區(qū)域?yàn)檩椛涿舾袇^(qū)域,NMOSFET輻照損傷強(qiáng)于PMOSFET,是輻射效應(yīng)研究的熱點(diǎn)[15].然而,從上述65 nm MOSFET實(shí)驗(yàn)結(jié)果中不難看出,PMOSFET的輻射損傷強(qiáng)于NMOSFET,NMOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)在累積總劑量1 Mrad后,并未發(fā)生明顯變化,PMOSFET應(yīng)作為輻射效應(yīng)研究的重點(diǎn).因此,著重對(duì)65 nm NMOSFET和PMOSFET的輻射敏感性進(jìn)行分析,并結(jié)合數(shù)值仿真定量給出PMOSFET輻射損傷潛在的物理機(jī)制;此外,定性分析PMOSFET在不同偏置條件下輻射損傷存在差異的原因.

4.1 PMOSFET及NMOSFET的輻射敏感性分析

表3中給出了不同工藝條件下,NMOSFET和PMOSFET在開(kāi)態(tài)偏置狀態(tài)下輻照至累積總劑量1 Mrad時(shí)閾值電壓的變化百分比(?Vth/Vth-pre×100%).從表3中可以看出,不同工藝條件下的PMOSFET,在總劑量輻照后其閾值電壓均發(fā)生了一定程度的漂移,而NMOSFET并未發(fā)生明顯變化.

以往的研究認(rèn)為,由于尺寸很小,柵氧化層對(duì)納米級(jí)MOSFET的輻照特性影響很小.累積輻照在氧化層中產(chǎn)生固定氧化物電荷的能力與氧化層的厚度密切相關(guān),厚度越大,氧化物電荷量越多,STI氧化層的厚度比柵氧化層約高兩個(gè)數(shù)量級(jí),成為MOSFET在長(zhǎng)時(shí)間輻照作用下受影響最嚴(yán)重的區(qū)域,STI退化直接影響NMOSFET漏電流增大,閾值電壓漂移;對(duì)于PMOSFET,STI氧化層中輻射感生缺陷并不會(huì)導(dǎo)致漏電流增大,但表面區(qū)域載流子濃度的增加使得有效溝道變窄,表現(xiàn)為閾值電壓的負(fù)漂.據(jù)此可推斷,由于STI氧化層受電離輻射的影響,NMOSFET和PMOSFET均會(huì)受到STI退化影響而導(dǎo)致閾值電壓漂移,且NMOSFET的輻射損傷將更為嚴(yán)重[6,15].但這一結(jié)論與我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相矛盾.因此,隨著器件尺寸減小,溝道摻雜濃度的提升,除了STI氧化層造成輻射損傷以外,對(duì)于65 nm MOSFET應(yīng)存在其他的輻射敏感位置,才會(huì)造成PMOFET損傷更為嚴(yán)重.LDD上層氧化層中的輻射感生缺陷是否會(huì)成為65 nm MOSFET的輻射損傷敏感位置,將是我們分析的重點(diǎn).對(duì)于納米級(jí)MOSFET,LDD對(duì)閾值電壓的影響為[16?18]

其中Vth0為未加LDD區(qū)時(shí)的閾值電壓,Vds為源和漏極間的電壓;φB=|EF?Ei|/q,EF是費(fèi)米能級(jí),Ei為本征費(fèi)米能級(jí).Vbi是LDD區(qū)域與襯底結(jié)上自建電勢(shì),其表達(dá)式為

其中NLDD和Nsub分別為L(zhǎng)DD區(qū)及襯底區(qū)的摻雜濃度;ni為本征載流子濃度;Leff為溝道有效長(zhǎng)度,近似估算為L(zhǎng)eff=Lg?2δ·Xj(其Xj為L(zhǎng)DD區(qū)結(jié)深,δ為經(jīng)驗(yàn)參數(shù),Lg為未增加LDD區(qū)域時(shí)的溝道長(zhǎng)度);l為溝道特征長(zhǎng)度.由此可見(jiàn),MOSFET的閾值電壓與LDD區(qū)的內(nèi)建電勢(shì)緊密相關(guān).

電離輻射在LDD上方厚氧化層中感生到了正的氧化物陷阱電荷,相當(dāng)于在LDD上方施加了一個(gè)正電壓,若設(shè)該電壓落在LDD與襯底結(jié)間上的電壓為Vox,LDD,則對(duì)于NMOSFET和PMOSFET的LDD與襯底結(jié)的內(nèi)建電勢(shì)可分別表示為:

依據(jù)半導(dǎo)體器件物理[16,17],對(duì)于MOSFET,當(dāng)表面反型時(shí),LDD與襯底結(jié)的內(nèi)建電勢(shì)約為2?FP或2?FN(?FP,?FN分別為PMOSFET和NMOSFET襯底的費(fèi)米勢(shì)).因此,對(duì)于NMOSFET和PMOSFET,其LDD與襯底結(jié)附近為了達(dá)到反型,需要施加的表面勢(shì)可分別用(5)式和(6)式表示:

從(5)式和(6)式中可以看出,對(duì)于NMOSFET,LDD區(qū)與襯底結(jié)附近表面反型所需要的電壓減小,而在PMOSFET中,該區(qū)域反型所需的電壓增大.

在輻射效應(yīng)測(cè)試中,通過(guò)測(cè)量溝道電流來(lái)反推器件的閾值電壓[14].假設(shè)在溝道中間的閾值電壓為Vth0,LDD與襯底結(jié)附近表面反型的電壓為Vth,LDD.在NMOSFET中,Vth,LDD|Vth0|,此時(shí)要想測(cè)量到溝道電流,只有當(dāng)柵壓Vgs>Vth,LDD時(shí),此時(shí)所測(cè)的閾值電壓才等于Vth,LDD.因此在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象上表現(xiàn)為NMOSFET的閾值電壓基本不變,而PMOSFET的閾值電壓不斷負(fù)漂,最終表現(xiàn)為PMOSFET的輻射損傷比NMOSFET更為嚴(yán)重.

利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具(technology computer aided design,TCAD)建立65 nm MOSFET 2維(2D)模型進(jìn)行總劑量效應(yīng)的數(shù)值模擬,所用的氧化物陷阱電荷與電場(chǎng)和劑量率的關(guān)系方程如(7)式和(8)式所示:

其中Gox為輻照在氧化層中引起的電荷產(chǎn)生率,g0為電子空穴對(duì)的產(chǎn)生率,D′為輻照劑量率,E0=Y0E1,E1=0.65 MV/cm,m=0.9,室溫下Y0=0.05[19,20].

圖3中給出了PMOSFET在輻照前后空穴濃度的梯度分布圖.從圖3可以明顯看出:總劑量輻照后的界面處空穴濃度值(圖3(b))低于未輻照時(shí)的仿真結(jié)果(圖3(a)),這進(jìn)一步驗(yàn)證了我們的理論分析結(jié)果,即LDD區(qū)上方氧化層中產(chǎn)生的氧化物電荷會(huì)改變PMOSFET溝道中空穴濃度.NMOSFET仿真結(jié)果如圖4所示,輻照前后電子濃度梯度分布并未發(fā)生明顯改變,仿真結(jié)果和理論較好地符合.

利用TCAD對(duì)NMOSFET和PMOSFET輻照前后的轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)進(jìn)行仿真(圖5),結(jié)果表明,PMOSFET在總劑量輻照后閾值電壓發(fā)生漂移(圖5(a)),而NMOSFET轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)未發(fā)生明顯變化(圖5(b)),仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在趨勢(shì)上能很好地符合.仿真結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了我們的理論分析,電離輻射在65 nm PMOSFET的LDD區(qū)域上方氧化層中感生的缺陷對(duì)其輻射響應(yīng)起著決定性的作用,也是其輻射響應(yīng)不同于NMOSFET的關(guān)鍵因素.

圖3 PMOSFET輻照前后空穴濃度梯度截面 (a)輻照前;(b)輻照后Fig.3.Cross-section of PMOSFET indicating hole density affected by radiation-induced oxide trapped charge in LDD spacer:(a)Before radiation;(b)after radiation.

圖4 NMOSFET輻照前后,電子濃度梯度截面 (a)輻照前;(b)輻照后Fig.4.Cross-section of NMOSFET indicating electron density affected by radiation-induced oxide trapped charge in LDD spacer:(a)Before radiation;(b)after radiation.

圖5 MOSFET輻照前后,轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)的TCAD-2D仿真結(jié)果 (a)PMOSFET;(b)NMOSFET(TID=1 Mrad(Si))Fig.5.Id-Vgcharacteristics of MOSFETs with TCAD-2D simulation:(a)PMOSFET;(b)NMOSFET(TID=1 Mrad(Si)).

4.2 偏置條件對(duì)PMOSFET總劑量效應(yīng)的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,PMOSFET在不同偏置條件下表現(xiàn)出不同的輻射響應(yīng)(表2),在開(kāi)態(tài)偏置條件下的輻射損傷強(qiáng)于零偏條件.其主要原因是電離輻射在氧化層中感生產(chǎn)物與電場(chǎng)有很強(qiáng)依賴(lài)關(guān)系[4],具體表現(xiàn)為:零偏情況下,氧化層電場(chǎng)接近為零,輻射電離所產(chǎn)物的初始電子-空穴對(duì)幾乎完全復(fù)合,形成的自由電子及空穴很少,所以氧化物電荷和界面陷阱的形成很少,零偏置條件下的輻射響應(yīng)很弱;對(duì)于開(kāi)態(tài)偏置情況,在氧化層電場(chǎng)作用下,由于空穴和電子遷移率的差異,電離輻射產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)直接復(fù)合概率大大降低,雖然柵的負(fù)壓使電離所形成的空穴向遠(yuǎn)離Si/SiO2界面方向輸運(yùn),但依然會(huì)在氧化層內(nèi)被俘獲,形成遠(yuǎn)離界面的正氧化物陷阱電荷,雖然其作用有可能弱于正柵壓情況,但仍強(qiáng)于零偏輻照.

5 結(jié) 論

對(duì)65 nm工藝的NMOSFET和PMOSFET開(kāi)展了不同偏置條件下的總劑量輻照實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)PMOSFET的輻射損傷強(qiáng)于NMOSFET,結(jié)合理論分析和數(shù)值仿真模擬,可以得出以下結(jié)論:電離輻射在LDD區(qū)域上方氧化層中產(chǎn)生的氧化物陷阱電荷是造成PMOSFET性能退化的主要因素;PMOSFET在不同偏置條件下表現(xiàn)出不同的輻射響應(yīng),主要是由于LDD上方氧化層中電場(chǎng)的影響,開(kāi)態(tài)偏置下輻射損傷明顯強(qiáng)于零偏條件.研究成果對(duì)65 nm MOS晶體管抗輻射加固設(shè)計(jì)具有重要參考價(jià)值.