SOI抗總劑量輻射加固工藝柵氧可靠性研究

高向東，吳建偉，劉國柱，周 淼

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

1 介紹

絕緣體上硅（SOI）由于其采用全介質隔離技術，相對于體硅工藝具有集成度高、速度快、抗干擾能力強的特點[1]，同時徹底消除了體硅CMOS工藝的閂鎖（latch-up）效應，具有非常好的抗軟失效、瞬時輻照和單粒子翻轉能力[2～3]，在抗輻射應用領域有著廣闊前景。由于埋層二氧化硅（BOX）的存在，使得SOI器件在總劑量輻照效應上比體硅差。為了改善SOI CMOS器件抗總劑量輻射能力，采用加固工藝的部分耗盡SOI CMOS技術能夠達到非常高的水平[4～10]。我們采用了埋層二氧化硅抗總劑量輻射加固工藝技術，能夠使SOI CMOS器件抗總劑量輻射能力達到1Mrad（Si）。如圖1所示：（a）表示未采用抗總劑量加固工藝的SOI NMOS器件在輻射條件下的前柵轉移特性曲線；（b）表示采用抗總劑量加固工藝的SOI NMOS器件在輻射條件下的前柵轉移特性曲線。

圖1 是否采用抗總劑量輻射工藝的SOI器件輻射前柵轉移曲線

為了研究并提高抗輻射SOI CMOS器件的壽命，改善電路的可靠性，我們采用QBD（擊穿電荷量）對比了干氧化工藝和濕氧工藝的氧化層質量，確定采用氧化層質量相對更好的濕氧工藝。用斜階法對柵氧擊穿電壓進行了分析，最后采用恒壓應力對未采用抗總劑量加固和采用抗總劑量加固工藝的柵氧層質量進行評估，抗總劑量輻射加固工藝的柵氧在正常工作電壓下的壽命。

2 柵氧可靠性結構

在我們的研究中，采用了PCM（process control measurement）測試版圖中，由n-well（n阱）、柵氧、多晶硅所組成的柵氧電容結構如圖2所示，電容面積為90μm×300μm。

圖2 柵氧電容測試結構圖

柵氧電容結構主要形成的工藝步驟如圖3所示：（a）在SOI襯底材料片：Top-Si（頂層硅）=220nm，BOX（埋層二氧化硅）=400nm，RH抗總劑量輻射加固的埋層二氧化硅；（b）通過一次氧化（pad oxide）和一次氮化硅工藝（SiN），接著光刻有源區，腐蝕氮化硅后，定義形成場區部分，如圖中（c）所示；進行場氧化形成FOX場氧區域，去掉氮化硅材料，然后進行離子注入形成n阱，形成電容測試結構下電極，如圖中（d）所示；12.5nm柵氧化層生長，多晶硅淀積、多晶硅摻雜形成n+多晶硅，通過多晶硅光刻、腐蝕形成多晶硅柵，作為電容測試結構的上電極，淀積LP SiO2350nm，通過各向異性腐蝕形成側墻（spacer），如圖中（e）所示；通過離子注入工藝形成n+重摻雜區，用于電學連接，如圖中（f）所示；完成PMD（金屬前介質淀積）和接觸孔光刻、腐蝕，形成用于連接n+重摻雜區和金屬布線的接觸孔，如圖中（g）所示；最后淀積金屬，并進行金屬光刻、腐蝕后，形成金屬布線層，合金后完成多晶硅柵和n-well區域的連接，如圖中（h）所示。形成完整的柵氧電容測試結構，以下的測試結果將基于此結構進行測試分析。

圖3 柵氧電容結構工藝流程簡圖

3 實驗與結果

3.1 干氧與濕氧工藝柵氧質量比較

CMOS工藝對柵氧化層的厚度及氧化層質量有很高的要求，通常采用干氧和濕氧氧化方式，氧化溫度通常選擇850℃～950℃，同時在氧化過程中加入摻氯氧化工藝以減少柵氧層中的可動離子、提高氧化層質量。干氧氧化采用氧氣與硅反應，如反應式（1）所示；濕氧氧化采用氫氣與氧氣反應形成水蒸氣，利用水蒸氣與硅反應，如反應式（2）所示。

通過上述兩種工藝方法，我們制作了兩種12.5nm柵氧電容樣品，通過擊穿電荷量QBD測試，如圖4所示，圖中干氧氧化累計失效＞80%，QBD＞22C·cm-2，相對的濕氧氧化累計失效＞80%時，QBD＞28C·cm-2。從表1可知干濕氧工藝的平均擊穿電場均達到了氧化層的本征擊穿，圖5所示為干濕氧工藝的VBD-η。

圖4 常規柵氧（干、濕氧）工藝的QBD-η

圖5 常規柵氧（干、濕氧）工藝的VBD-η

表1 常規柵氧工藝累計失效率及平均擊穿電場

3.2 抗輻射加固工藝的柵氧質量

從上述柵氧工藝可靠性表征結果可見，濕氧工藝的柵氧可靠性明顯優于干氧工藝。因此，采用干氧化工藝來考察加固工藝對柵氧TDDB可靠性的影響更顯著。由圖6、7可知，因加固工藝誘導柵氧層結構中的缺陷產生，在同等的應力作用下（恒定電壓14.5V～15V和常溫度），加固工藝柵氧的經時擊穿時間tBD較常規工藝柵氧偏低約103s。如表2所示，加固工藝柵氧的平均擊穿電場EBD較未加固工藝柵氧略低。

圖6 加固工藝對柵氧tBD的影響

圖7 加固工藝與未加固工藝的柵氧擊穿電壓

表2 加固柵氧工藝tBD和擊穿電場

如圖8（a）中所示，采用加固工藝樣品的柵氧擊穿時間與電場應力強度之間的關系采用weibull分布進行統計，取62.3%作為分布中心值；圖8（b）中表示加固工藝樣品的柵氧擊穿時間與電場應力強度之間的關系。圖9將這兩個分布圖中的中心值和電場應力強度做散點圖，采用指數模型進行擬合，這兩種工藝的柵氧擊穿時間與電場應力強度之間呈指數線性關系。通過模型倒推12.5nm柵氧在5.5V工作，即電場應力在4.4MV·cm-1情況下的工作時間，我們能夠得到未加固工藝樣品柵氧壽命和加固工藝樣品柵氧壽命時間均遠大于10年。

圖8 柵氧擊穿時間與電場應力的分布關系圖

圖9 柵氧擊穿時間隨電場應力的變化關系

4 討論

由于SOI材料與單晶硅材料存在一個特殊的埋層二氧化硅，抗總劑量輻射加固工藝針對埋層二氧化硅進行材料改性，在頂層硅中引入缺陷。我們利用柵氧層擊穿電壓、擊穿電荷和恒壓法測試相關介質擊穿等介質可靠性的研究，發現抗總劑量輻射加固工藝對柵氧質量存在影響。后續將針對不同SOI材料、柵氧電容結構、柵氧厚度和不同溫度展開研究，減少抗總劑量加固工藝在頂層硅中引入缺陷，提高柵氧介質可靠性。

5 結論

本文對干氧和濕氧兩種工藝方法制作的柵氧質量進行評估，12.5nm干氧氧化的柵氧質量要劣于濕氧氧化。采用干氧氧化工藝對抗總劑量輻射加固工藝的SOI柵氧層可靠性進行對比評估，由于加固工藝誘導柵氧層結構中的缺陷產生，在同等的應力作用下（恒定電壓14.5V～15V和常溫情況），加固工藝柵氧的經時擊穿時間tBD低于常規工藝柵氧。加固工藝柵氧的平均擊穿電場EBD較常規工藝柵氧略低，達到氧化層本征擊穿。并通過模型外推的方法得到抗輻射加固工藝柵氧的TDDB壽命能夠充分滿足SOI CMOS器件10年工作壽命的要求。

[1] Auberton-Herve A J.SOI: materials to systems[J].IEEE International Electron Device Meeting Technical Digest,1996:3.

[2] Brady F T, S cott T, Brown R, et al. Fully-depleted submicron SOI for radiation hardened application[J]. IEEE Trans Nucl Sci, 1994, 41:2304.

[3] Hatano H. Radiation hardened high performance CMOS VlSI circuit design[J].IEEE Proceedings-G, 1992, 139:287.

[4] Zhang Guoqiang, Liu Zhongli, Li Ning, et al. Influence of fluorine on radiation-induced charge trapping in the SIMOX buried oxides[J]. Proceeding of 7th International Conference on Solid-State and Integrated Circuits Technology, 2004, 2:847.

[5] Hughes H, McMarr P. Radiation-hardening of SOI by ion implantation into the buried oxide[P].US Patent.No.5795813.

[6] White M H, Adams D A, Murray J R, et al. Characterization of scaled SONOS EEPROM memory devices for space and military systems[P]. Non-Volatile Memory Technology Symposium, 2004:51

[7] Wu Jun-feng, Zhong Xing-hua, Li Duo-li. Improved breakdown voltage of partially depleted SOI nMOSFETs with half-backchannel implantation[J]. Chinese Journal of Semiconductors, 2005, 26(10):1875.

[8] Ohno T, Izumi K, Shimaya M, et al. CMOS/SIMOX devices having a radiation hardness of 2Mrad(Si)[J]. Electron Lett,1987, 23:141.

[9] Liu S T, Jenkins W C, Hughes H L. Total dose radiation hard 0.35μm SOI CMOS technology[J]. IEEE Trans Nucl Sci, 1990, 37:2013.