65 nm互補金屬氧化物半導體場效應和晶體管總劑量效應及損傷機制?

馬武英 姚志斌? 何寶平 王祖軍 劉敏波劉靜 盛江坤 董觀濤 薛院院

1)(強脈沖輻射環境模擬與效應國家重點實驗室,西安 710024)2)(西北核技術研究所,西安 710024)

(2017年11月28日收到;2018年2月7日收到修改稿)

對65 nm互補金屬氧化物半導體工藝下不同尺寸的N型和P型金屬氧化物半導體場效應晶體管(NMOSFET和PMOSFET)開展了不同偏置條件下電離總劑量輻照實驗.結果表明:PMOSFET的電離輻射響應與器件結構和偏置條件均有很強的依賴性,而NMOSFET表現出較強的抗總劑量性能;在累積相同總劑量時,PMOSFET的輻照損傷遠大于NMOSFET.結合理論分析和數值模擬給出了PMOSFET的輻射敏感位置及輻射損傷的物理機制.

1 引 言

航天器在空間天然輻射環境中的高可靠、長壽命的需求對系統中電子器件的性能要求很高,需要其具備高性能和強抗輻射能力[1?3].為了滿足空間應用需求,新一代航天器等先進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境中的響應規律及損傷物理機制是其空間應用的前提[2].

當集成電路進入到深亞微米領域時,金屬氧化物半導體場效應晶體管(metal-oxide semiconductor fieldeffect transistor,MOSFET)的總劑量效應(total dose effect,TID)表現出一些新的特點[4?8]:柵氧化層越來越薄;由于柵氧化層本身的尺寸和隧穿電流的影響,柵氧化層對MOSFET輻照特性影響很小.氧化層積累輻照產生固定正電荷的能力與氧化層厚度密切相關,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數量級,成為MOSFET在長時間輻照作用下受影響最嚴重的區域,STI退化直接影響N型金屬氧化物半導體場效應晶體管(N-metal-oxide semiconductor field-effect transistor,NMOSFET)漏電流增大,閾值電壓漂移;對于PMOSFET,STI氧化層中輻射感生缺陷并不會導致漏電流增大,但表面區域載流子濃度的增加會使得有效溝道變窄,表現為閾值電壓的負漂.劉張李等[9]對0.18μm MOSFET總劑量效應進行了研究,指出STI氧化層是輻射敏感區域;Peng等[10]對0.13μm部分耗盡型(partially depleted,PD)硅基(silicon-on-insulator,SOI)NMOSFET的總劑量效應開展了研究,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65 nm P型金屬氧化物半導體場效應晶體管(P-metal-oxide semiconductor fieldeffect transistor,PMOSFET)開展了總劑量效應研究,指出STI氧化層是造成其輻射損傷的敏感位置,但這一結論并不能解釋我們看到的實驗現象,即實驗發現的NMOSFET抗總劑量性能優于PMOSFET.此外,對于65 nm工藝尺寸器件,溝道摻雜濃度的提高,致使STI層中感生缺陷對于器件輻射性能的影響越來越弱.輕摻雜漏(lightly doped drain,LDD)工藝是互補金屬氧化物半導體(CMOS)集成電路進入亞微米后應用最廣泛的技術,該技術很好地改善了溝道電場分布,避免了在器件漏端的強場效應,從而提高了器件的可靠性,而LDD區域上方側墻氧化層中輻射感生產物對器件性能退化起著至關重要的作用[12,13].Gerardin等[14]研究了0.13μm尺寸MOSFET的質子輻射響應,定性地指出輻射在LDD區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65 nm MOSFET的LDD區是否是其輻射敏感位置以及其輻射損傷的物理機制并未引起關注.

本文選取65 nm CMOS工藝NMOSFET和PMOSFET為研究對象,開展了總劑量效應實驗,并探索了其在不同偏置條件下的輻射響應.結合理論分析與數值仿真研究,獲得了65 nm CMOS工藝NMOSFET和PMOSFET輻射響應的物理機制.

2 實驗條件

輻照實驗在西北核技術研究所60Co γ射線源上進行,實驗樣品是在65 nm CMOS工藝線上流片的不同寬長比的NMOSFET和PMOSFET.對樣品采用兩種偏置進行輻照,詳細偏置信息如表1所列,其中W/L為器件的長寬比;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)時利用半導體參數測試儀對實驗樣品的轉移特性曲線進行測量.

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

3 實驗結果

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

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

圖2給出了PMOSFET輻照前后轉移特性曲線的變化趨勢.從圖2中可以看出,PMOSFET在輻照后的閾值電壓發生了明顯漂移.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律.從表2可以看出,不同偏置條件下,PMOSFET輻射響應存在差異,具體表現為開態輻照偏置的輻射損傷強于零偏.

圖2 PMOSFET輻照前后轉移特性曲線的變化趨勢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總劑量的實驗結果不同于深亞微米0.18μm MOSFET的實驗結果,深亞微米MOSFET中STI區域為輻射敏感區域,NMOSFET輻照損傷強于PMOSFET,是輻射效應研究的熱點[15].然而,從上述65 nm MOSFET實驗結果中不難看出,PMOSFET的輻射損傷強于NMOSFET,NMOSFET的轉移特性曲線在累積總劑量1 Mrad后,并未發生明顯變化,PMOSFET應作為輻射效應研究的重點.因此,著重對65 nm NMOSFET和PMOSFET的輻射敏感性進行分析,并結合數值仿真定量給出PMOSFET輻射損傷潛在的物理機制;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在開態偏置狀態下輻照至累積總劑量1 Mrad時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生了一定程度的漂移,而NMOSFET并未發生明顯變化.

以往的研究認為,由于尺寸很小,柵氧化層對納米級MOSFET的輻照特性影響很小.累積輻照在氧化層中產生固定氧化物電荷的能力與氧化層的厚度密切相關,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數量級,成為MOSFET在長時間輻照作用下受影響最嚴重的區域,STI退化直接影響NMOSFET漏電流增大,閾值電壓漂移;對于PMOSFET,STI氧化層中輻射感生缺陷并不會導致漏電流增大,但表面區域載流子濃度的增加使得有效溝道變窄,表現為閾值電壓的負漂.據此可推斷,由于STI氧化層受電離輻射的影響,NMOSFET和PMOSFET均會受到STI退化影響而導致閾值電壓漂移,且NMOSFET的輻射損傷將更為嚴重[6,15].但這一結論與我們的實驗結果相矛盾.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,對于65 nm MOSFET應存在其他的輻射敏感位置,才會造成PMOFET損傷更為嚴重.LDD上層氧化層中的輻射感生缺陷是否會成為65 nm MOSFET的輻射損傷敏感位置,將是我們分析的重點.對于納米級MOSFET,LDD對閾值電壓的影響為[16?18]

其中Vth0為未加LDD區時的閾值電壓,Vds為源和漏極間的電壓;φB=|EF?Ei|/q,EF是費米能級,Ei為本征費米能級.Vbi是LDD區域與襯底結上自建電勢,其表達式為

其中NLDD和Nsub分別為LDD區及襯底區的摻雜濃度;ni為本征載流子濃度;Leff為溝道有效長度,近似估算為Leff=Lg?2δ·Xj(其Xj為LDD區結深,δ為經驗參數,Lg為未增加LDD區域時的溝道長度);l為溝道特征長度.由此可見,MOSFET的閾值電壓與LDD區的內建電勢緊密相關.

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,相當于在LDD上方施加了一個正電壓,若設該電壓落在LDD與襯底結間上的電壓為Vox,LDD,則對于NMOSFET和PMOSFET的LDD與襯底結的內建電勢可分別表示為:

依據半導體器件物理[16,17],對于MOSFET,當表面反型時,LDD與襯底結的內建電勢約為2?FP或2?FN(?FP,?FN分別為PMOSFET和NMOSFET襯底的費米勢).因此,對于NMOSFET和PMOSFET,其LDD與襯底結附近為了達到反型,需要施加的表面勢可分別用(5)式和(6)式表示:

從(5)式和(6)式中可以看出,對于NMOSFET,LDD區與襯底結附近表面反型所需要的電壓減小,而在PMOSFET中,該區域反型所需的電壓增大.

在輻射效應測試中,通過測量溝道電流來反推器件的閾值電壓[14].假設在溝道中間的閾值電壓為Vth0,LDD與襯底結附近表面反型的電壓為Vth,LDD.在NMOSFET中,Vth,LDD|Vth0|,此時要想測量到溝道電流,只有當柵壓Vgs>Vth,LDD時,此時所測的閾值電壓才等于Vth,LDD.因此在實驗現象上表現為NMOSFET的閾值電壓基本不變,而PMOSFET的閾值電壓不斷負漂,最終表現為PMOSFET的輻射損傷比NMOSFET更為嚴重.

利用計算機輔助設計工具(technology computer aided design,TCAD)建立65 nm MOSFET 2維(2D)模型進行總劑量效應的數值模擬,所用的氧化物陷阱電荷與電場和劑量率的關系方程如(7)式和(8)式所示:

其中Gox為輻照在氧化層中引起的電荷產生率,g0為電子空穴對的產生率,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))低于未輻照時的仿真結果(圖3(a)),這進一步驗證了我們的理論分析結果,即LDD區上方氧化層中產生的氧化物電荷會改變PMOSFET溝道中空穴濃度.NMOSFET仿真結果如圖4所示,輻照前后電子濃度梯度分布并未發生明顯改變,仿真結果和理論較好地符合.

利用TCAD對NMOSFET和PMOSFET輻照前后的轉移特性曲線進行仿真(圖5),結果表明,PMOSFET在總劑量輻照后閾值電壓發生漂移(圖5(a)),而NMOSFET轉移特性曲線未發生明顯變化(圖5(b)),仿真結果和實驗數據在趨勢上能很好地符合.仿真結果進一步證實了我們的理論分析,電離輻射在65 nm PMOSFET的LDD區域上方氧化層中感生的缺陷對其輻射響應起著決定性的作用,也是其輻射響應不同于NMOSFET的關鍵因素.

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,轉移特性曲線的TCAD-2D仿真結果 (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PMOSFET總劑量效應的影響

實驗結果表明,PMOSFET在不同偏置條件下表現出不同的輻射響應(表2),在開態偏置條件下的輻射損傷強于零偏條件.其主要原因是電離輻射在氧化層中感生產物與電場有很強依賴關系[4],具體表現為:零偏情況下,氧化層電場接近為零,輻射電離所產物的初始電子-空穴對幾乎完全復合,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很弱;對于開態偏置情況,在氧化層電場作用下,由于空穴和電子遷移率的差異,電離輻射產生的電子-空穴對直接復合概率大大降低,雖然柵的負壓使電離所形成的空穴向遠離Si/SiO2界面方向輸運,但依然會在氧化層內被俘獲,形成遠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,但仍強于零偏輻照.

5 結 論

對65 nm工藝的NMOSFET和PMOSFET開展了不同偏置條件下的總劑量輻照實驗,發現PMOSFET的輻射損傷強于NMOSFET,結合理論分析和數值仿真模擬,可以得出以下結論:電離輻射在LDD區域上方氧化層中產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出不同的輻射響應,主要是由于LDD上方氧化層中電場的影響,開態偏置下輻射損傷明顯強于零偏條件.研究成果對65 nm MOS晶體管抗輻射加固設計具有重要參考價值.