γ射線總劑量輻照效應(yīng)對應(yīng)變Si PMOSFET閾值電壓與跨導的影響研究-110325說課講解

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。射線總劑量輻照效應(yīng)對應(yīng)變Si PMOSFET閾值電壓與跨導的影響研究-110325-射線總劑量輻照效應(yīng)對應(yīng)變SiPMOSFET閾值電壓與跨導的影響研究*胡輝勇劉翔宇連永昌張鶴鳴宋建軍宣榮喜舒斌（西安電子科技大學微電子學院，寬禁帶半導體材料與器件重點實驗室，西安，710071）基金:教育部博士點基金(No.JY0300122503)和中央高校基本業(yè)務(wù)費（No.K5051225014K5051225004）資助通訊作者.E-mail:HYPERLINKmailto:aaabbb.ccc電話：18537831

2、656摘要:論文重點分析了雙軸應(yīng)變SiPMOFET在射線輻照下載流子的微觀輸運過程，揭示了射線的作用機制及器件電學特性隨輻照總劑量的演化規(guī)律，建立了總劑量輻照條件下的雙軸應(yīng)變SiPMOSFET閾值電壓與跨導等電學特性模型，并對其進行了模擬仿真。由仿真結(jié)果可知，閾值電壓的絕對值會隨著輻照總劑量的積累而增加，輻照總劑量較低時閾值電壓的變化與總劑量基本呈線性關(guān)系，高劑量時趨于飽和；另外輻照產(chǎn)生的陷阱電荷增加了溝道區(qū)載流子之間的碰撞概率，導致了溝道載流子遷移率的退化以及跨導的降低。在此基礎(chǔ)上，進行實驗驗證，測試結(jié)果表明實驗數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果基本吻合，為雙軸應(yīng)變SiPMOSFET輻照可靠性的研究和應(yīng)變集成電

3、路的應(yīng)用與推廣提供了理論依據(jù)和實踐基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：應(yīng)變SiPMOSFET總劑量輻照閾值電壓跨導PACS：61.80.Ed，73.50.Dn，85.30.TV1引言隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，以CMOS技術(shù)為主導的集成電路技術(shù)已經(jīng)進入了納米尺度，使基于“等比例縮小”原則一直遵循著“摩爾定理”發(fā)展的集成電路技術(shù)受到了極大的挑戰(zhàn)，成為制約集成電路發(fā)展的瓶頸問題。而應(yīng)變Si材料具有高載流子遷移率高，帶隙可調(diào)，與傳統(tǒng)的Si工藝兼容等優(yōu)點，成為延續(xù)集成電路按“摩爾定律”發(fā)展的有效途徑和研究熱點1-4。隨著應(yīng)變技術(shù)的快速發(fā)展，應(yīng)變集成器件及電路在極端條件尤其是輻照條件下的應(yīng)用將會越來越多，因此輻照特性及加固技術(shù)是其

4、應(yīng)用研究的一個重點5。本文將重點開展不同總劑量射線輻照對雙軸應(yīng)變SiPMOSFET電學特性影響的研究6，建立其電學特性模型，并通過實驗進行驗證。為研究雙軸應(yīng)變SiPMOSFET輻照可靠性提供理論和實踐基礎(chǔ)7。2模型建立本文采用西安電子科技大學設(shè)計并制備的雙軸應(yīng)變SiPMOSFET作為研究對象，重點研究射線輻照效應(yīng)對其電學特性的影響，器件結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中，器件從下往上層結(jié)構(gòu)分別為：Si襯底上生長的組分漸變SiGe層，Ge的組分為0-0.3，厚度為2m，摻雜濃度為Nb=1.5*1016cm-3；固定組分弛豫SiGe層，Ge組分為0.3，厚度為300nm，摻雜濃度為Nb=1.5*1016cm-

5、3；應(yīng)變Si層，厚度為10nm，摻雜濃度為Nch=1*1016cm-3。器件中采用NchNb的倒摻雜，以減少溝道離化雜質(zhì)散射，另外虛擬襯底的摻雜濃度較高，耗盡層只延伸到弛豫SiGe層，圖2為PMOSFET的顯微照片，該器件采用DIP16封裝形式。圖1雙軸應(yīng)變SiPMOSFET器件結(jié)構(gòu)示意圖圖2雙軸應(yīng)變SiPMOSFET芯片顯微照片基于圖1所示結(jié)構(gòu)，當MOSFET在射線輻照條件下，射線會在氧化層中激發(fā)產(chǎn)生電子空穴對7。由于在氧化層中電子遷移率遠大于空穴遷移率8，故輻照產(chǎn)生的空穴逃脫初始復合后在氧化層中移動緩慢，會被氧化層中的空穴陷阱捕獲形成氧化層固定電荷。而輻照產(chǎn)生的電子逃脫初始復合后在氧化層中

6、移動較快可以很快遷移出氧化層。除此之外，空穴也會在氧化層中激發(fā)產(chǎn)生質(zhì)子，質(zhì)子會向Si/SiO2界面處移動，并與界面處的Si懸掛鍵結(jié)合形成界面陷阱，從而影響界面電荷。輻照過程中電子和空穴的輸運如圖3所示9。圖3雙軸應(yīng)變SiPMOSFET輻照產(chǎn)生的載流子輸運過程如圖3所示的氧化層載流子輸運過程中，假設(shè)輻照在氧化層中均勻產(chǎn)生電子空穴對，并且電子空穴對在逃脫初始復合，由于電子和空穴的遷移率的不同，只考慮空穴的遷移，同時不考慮電荷在界面處的空間電荷效應(yīng)。在氧化層中可以用一維連續(xù)性方程來描述空穴的產(chǎn)生過程，空穴和陷阱的作用過程，質(zhì)子產(chǎn)生過程和質(zhì)子和界面鈍化Si懸掛鍵的作用過程REF_Ref37333012

7、1rh*MERGEFORMAT8：(1)(2)(3)(4)式中，p為氧化層中的空穴濃度，t為輻照的時間，為單位體積氧化層在單位計量輻照條件下產(chǎn)生的電子空穴對，為輻照劑量率，為與氧化層電場相關(guān)的輻照產(chǎn)生的電子空穴對逃脫初次復合的幾率，其經(jīng)驗公式11為，E為電場強度，為氧化層中空穴通量，x的方向從柵氧界面指向襯底，為氧化層空穴陷阱俘獲的空穴濃度，為氧化層空穴陷阱濃度，氧化層陷阱的空穴俘獲截面，為陷阱空穴的退火時間，為空穴引起的氧化層釋放的質(zhì)子濃度，為氧化層中含氫陷阱濃度，為氧化層中含氫陷阱對空穴的俘獲截面為氧化層中的質(zhì)子通量為Si/SiO2界面處被氫鈍化的Si懸掛鍵密度，為Si/SiO2界面處界面

8、陷阱密度，為Si/SiO2界面處被氫鈍化的Si懸掛鍵的質(zhì)子俘獲截面，為質(zhì)子通量，計算過程中采用界面處的質(zhì)子通量，為Si/SiO2界面陷阱電荷的退火時間REF_Ref373330121rh*MERGEFORMAT813。對于式（1），當時間趨近于無限長時，PMOSFET柵氧化層中由于輻照而產(chǎn)生的空穴濃度一定達到平衡，不會一直增大。故有：(5)(6)由于柵極電場的作用，空穴在產(chǎn)生后被“掃向”溝道方向，且由于空穴移動速度緩慢，會被氧化層中的空穴陷阱捕獲形成氧化層固定電荷，所以在柵極表面空穴密度為零，故有：(7)(8)聯(lián)立式（1），式（2），式（8）可解的：(9)(10)忽略掉質(zhì)子對氧化層中正電荷的貢

9、獻，輻射產(chǎn)生的正電荷的濃度為：(11)對于式（3），當時間趨近于無限長時，PMOSFET柵氧化層中由于空穴引起的氧化層釋放的質(zhì)子濃度一定達到平衡，不會一直增大。故有：(12)(13)由于柵極電場的作用，空穴在產(chǎn)生后被“掃向”溝道方向，空穴無法達到柵氧化層表面，所以在柵氧化層表面由空穴引起的氧化層釋放的質(zhì)子的通量為零。故有：(14)(15)聯(lián)立式（3），式（4）和式（15）同時認為柵氧邊界處的質(zhì)子通量為零，解得(16)式中總劑量。另外對器件的各層分別列泊松方程有：(17)式中、分別為柵氧化層、應(yīng)變Si層和SiGe耗盡層中的電勢，q為電子電量，和分別為SiGe層和應(yīng)變Si層的摻雜濃度，、和分別為S

10、iO2柵氧化層、應(yīng)變Si層和耗盡層厚度，和分別為弛豫SiGe和應(yīng)變Si的相對介電常數(shù)，真空介電常數(shù)。根據(jù)電位移連續(xù)性原理和電勢連續(xù)性原理得到（13）式中的邊界條件：(18)式（13）和式（14）聯(lián)立解得：(19)由式（15）得Si/SiO2界面處的電勢為：(20)將式（16）帶入得：(21)有上式得到柵氧化層上表面壓降：(22)式中為平帶電壓，考慮輻照在氧化層中產(chǎn)生正電荷，所以平帶電壓可表示為：(23)式中，為應(yīng)變Si的親合勢，為應(yīng)變Si的價帶有效狀態(tài)密度，為應(yīng)變Si的禁帶寬度，為柵氧化層中的初始電荷面密度，為單位面積柵氧化層電容。當應(yīng)變Si溝道開始強反型時，器件導通，此時Si/SiO2界面處

11、的電勢=2，經(jīng)推導得到弛豫SiGe和應(yīng)變Si反型時的表面電勢為14：(24)耗盡層寬度為：(25)由上面的推導可知閾值電壓的表達式為:(26)研究已經(jīng)表明，總劑量輻照在柵氧與溝道界面處產(chǎn)生的界面態(tài)可以與溝道的載流子相互作用，使器件的遷移率退化進而導致跨導下降15。對于PMOSFET而言，在線性區(qū)，漏端電流可表示為：(27)式中為空穴遷移率，為單位面積的柵氧電容，為柵源電壓，為閾值電壓，為漏源電壓，跨導可由上式推導出：(28)從（24）式可以看出，決定的最主要的參數(shù)是遷移率。早期的研究表明，輻照引起的MOSFET的遷移率退化主要是由于柵氧和溝道區(qū)界面附近的界面態(tài)導致的，而柵氧中的陷阱電荷的影響可

12、以忽略不計16，總劑量輻照對遷移率的影響有下式給出：(29)式中，為輻照后載流子的有效遷移率，為輻照前載流子的遷移率，是與界面態(tài)密度有關(guān)的經(jīng)驗常數(shù)17，是輻照引起的有效界面態(tài)密度。3仿真分析與實驗驗證3.1總劑量輻照的閾值電壓漂移效應(yīng)對上面建立的輻照條件下的閾值電壓模型進行MATLAB仿真得出閾值電壓與Ge組分，輻照總劑量和柵氧化層的厚度的關(guān)系。仿真中用到的部分參數(shù)如表1所示REF_Ref373330121rh*MERGEFORMAT81920，仿真得到的結(jié)果如圖4所示。表1仿真所用的部分參數(shù)表3.91.08-0.58xNch1*1016cm-34.05+0.58x1.08-0.7289xTo

13、x15nmx(0.74-0.53x)11.9+4.1xGe0.250.63x8.1*1012cm-3Rad-1(sio2)Nb3*1016cm-30.4*1011cm24.0*1013cm2TSSi20nm輻照時偏置條件為VG=-5V，VD=VS=0V。測試時加電壓為VG=0-5V，Vstep-50mV，VD=-3V，VS=0V限流10mA。測試采用現(xiàn)場測試，測試在30分鐘之內(nèi)完成。樣品總共為6個，分兩次測試。測試點為0Krad(Si)、60Krad(Si)、100Krad(Si)、150Krad(Si)、200Krad(Si)、300Krad(Si)、500Krad(Si)，輻照劑量率為50

14、rad(Si)/s，Si中的輻照劑量率與柵氧化物中的輻照劑量率有如下關(guān)系1rad(Si)=0.58rad(SiO2)。應(yīng)變SiPMOSFET閾值電壓VT在不同總劑量射線輻照下隨吸收劑量的變化關(guān)系如表2所示。通過數(shù)據(jù)可以看出，輻照后閾值電壓的絕對值變大，并且隨著輻照總劑量的增加，閾值電壓漂移的量也增加。表2應(yīng)變SiPMOSFET實驗結(jié)果Dose/Krad(si)060100150200300500VTH/V-0.95-1.12-1.2-1.27-1.42-1.6-1.9將實驗測得的不同總劑量下的閾值電壓值與理論仿真的相比較結(jié)果如圖4所示。(a)不同Ge組分下閾值電壓總劑量關(guān)系(b)不同柵氧厚度下

15、閾值電壓總劑量關(guān)系(c)不同溝道摻雜下閾值電壓總劑量關(guān)系圖4不同條件下應(yīng)變PMOSFET閾值電壓隨輻照總劑量變化關(guān)系曲線由圖4(a)可以看出，Ge組分對閾值電壓的影響較小，當Ge組分為0.25時仿真曲線和實驗數(shù)據(jù)基本一致；由圖4(b)可以看出，氧化層厚度對閾值電壓的影響很大，當Tox=15nm時仿真曲線和實驗數(shù)據(jù)基本一致；由圖4(c)可以看出，溝道摻雜濃度對閾值電壓的影響較大，當Nch=1*1016cm-3時仿真曲線和實驗數(shù)據(jù)基本一致。Ge組分與溝道摻雜濃度在不同總劑量下對閾值電壓的影響基本一致，而柵氧化層厚度對閾值的影響在不同的總劑量下呈現(xiàn)出不一致的特點，即高劑量下柵氧化層厚度對閾值的影響比

16、低劑量下要大，溝道摻雜濃度對閾值的影響相對較大，而且影響是非線性的。3.2總劑量輻照的載流子遷移率退化效應(yīng)對上面建立的輻照條件下的載流子遷移率退化模型進行MATLAB仿真，對于式（29）中，取經(jīng)驗常數(shù)21為2*10-13，仿真結(jié)果如圖7所示。在射線輻照下，器件的歸一化遷移率與柵電壓的關(guān)系如圖5所示圖5VDS=-3V時應(yīng)變SiPMOSFET不同總劑量輻照下的歸一化跨導本文以未輻照前跨導基準，作出，其中為未輻照時的歸一化跨導，為不同劑量率輻照后的歸一化跨導。如圖6為輻照劑量為60Krad（Si）與100Krad（Si）時的歸一化跨導退化情況。圖6輻照劑量為60Krad（Si）與100Krad（Si

17、）時的歸一化跨導退化情況圖7應(yīng)變SiPMOSFET歸一化遷移率隨輻照總劑量變化的關(guān)系曲線由圖6和圖7可知，由于輻照產(chǎn)生的陷阱電荷增加了溝道區(qū)載流子之間的碰撞概率，導致了溝道載流子遷移率的退化以及跨導的降低。會使PMOSFET的歸一化遷移率下降，且成反比例關(guān)系。仿真曲線和實驗數(shù)據(jù)的基本一致，從而證明了經(jīng)驗常數(shù)與歸一化遷移率的退化模型的正確性。4結(jié)論本文通過分析雙軸應(yīng)變SiPMOFET在射線輻照下載流子的輸運過程，建立了總劑量輻照條件下的雙軸應(yīng)變SiPMOSFET閾值電壓與跨導的電學特性模型，并通過MATLAB對所建立的模型進行了仿真。在此基礎(chǔ)上，使用西安電子科技大學設(shè)計并制備的器件進行了實驗驗證

18、，仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合的很好。由仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)可以得出雙軸應(yīng)變SiPMOSFET閾值電壓漂移與輻照總劑量的關(guān)系：在輻照總劑量較低時兩者呈正比例關(guān)系，隨著輻照劑量的增加，逐漸偏離正比例關(guān)系并趨于飽和；同時輻照產(chǎn)生的陷阱電荷增加了溝道區(qū)載流子之間的碰撞概率，導致了溝道載流子遷移率的退化以及跨導的降低。對于今后應(yīng)變集成電路在輻照條件下的應(yīng)用提供了理論與實踐基礎(chǔ)。參考文獻王斌，張鶴鳴，胡輝勇.應(yīng)變SiGep型金屬氧化物半導體場效應(yīng)管柵電容特性研究*J.物理學報，2013，(12):127102-1-127102-7.DOI:10.7498/aps.62.127102周春宇，張鶴鳴，胡輝勇.應(yīng)變S

19、iNMOSFET閾值電壓集約物理模型J.物理學報，2013，(7):377-384.DOI:10.7498/aps.62.077103.WANGBin，ZHANGHe-ming，HUHui-yong.PhysicallybasedanalyticalmodelforplateauingateC-VcharacteristicsofstrainedsiliconpMOSFETJ.中南大學學報（英文版），2013，20(9):2366-2371.DOI:10.1007/s11771-013-1745-y.BinWang，He-MingZhang，Hui-YongHu.Analyticalmodel

20、forquasi-staticC-Vcharacteristicsofstrained-Si/SiGepMOScapacitorJ.Solid-StateElectronics，2013，79(Jan.):258-261.HuangR，ZhangGY，LiYX，ZhangX2005SOICMOSTechnologiesandapplications(Beijing:PublishingHouseofScience)p3(inChinese)黃如，張國艷，李映雪，張興2005SOICMOS技術(shù)及其應(yīng)用(科學出版社)第3頁王桂珍何寶平姜景和等.MOS器件在不同源輻照下總劑量效應(yīng)的異同性研究J.微電

21、子學，2004，34（5）：532535牟維兵徐曦.P溝和N溝MOS場效應(yīng)管的輻照研究J.強激光與粒子束，2005，17（2）：309312SergeyNRashkeev，ClaudeRCirba，DanielMFleetwood，RonaldDSchrimpf，StevenCWitczak，AlainMichez，andSokratesTPantelides，PhysicalModelforEnhancedInterface-TrapFormationatLowDoseRatesJ，IEEETrans.Nucl.Sci.，vol.49，pp.26502655，2002HaroldPHjalm

22、arson，Associate，RonaldLPease，Senior，StevenCWitczak，MartyRShaneyfelt，JamesRSchwank，ArthurHEdwards，CharlesEHembree，ThomasRMattsson，MechanismsforRadiationDose-RateSensitivityofBipolarTransistorsJ，IEEETrans.Nucl.Sci.，vol.50，pp.19011909，2003RJGraves，C.RCirba，RDSchrimpf，RJMilanowski，AMichez，DMFleetwood，SC

23、Witczak，andFSaigne，Modelinglow-dose-rateeffectsinirradiatedbipolar-baseoxidesJ，IEEETrans.Nucl.Sci.，vol.45，pp.23522360，Dec.1998LiuST，AnthonyD，HeikkilaW，HughesH2004IEEETrans.Nucl.Sci.513475陳偉華杜磊，莊奕琪等.MOS結(jié)構(gòu)電離輻射效應(yīng)模型研究J.物理學報，2009，58（6）：40904094J.M.Benedetto，H.E.Boesch，Jr.THERELATIONSHIPBETWEEN60CoAND10-k

24、eVX-RAYDAMAGEINMOSDEVICES”.IEEETrans.Nucl.Sci.，vol.33，pp.13171323，1986XuBX，HuZY，ZhangZX，2013ActaPhys.Sin.Vol.62.No.707614寧冰旭，胡志遠，張正選，畢大煒2013物理學報6207614GallowayKF，GaitanM，RussellTJ1984IEEETrans.Nucl.Sci.311497DonaldA.Neamen趙毅強姚素英解曉東譯.半導體物理與器件M.北京：電子工業(yè)出版社.2009.3屈江濤張鶴鳴胡輝勇.小尺寸應(yīng)變Si/SiGePMOSFET閾值電壓及其電流電壓特

25、性的研究J.電子科技大學學報，2012，41（2）：311316BarnabyHJ2006IEEETrans.NuclearScience533103ChenXJ，BarnabyHJ，VermeireB，HolbertK，WrightD，PeaseRL2007IEEETrans.NuclearScience541913SaksNS，AnconaMG，RendellRW2002Appl.Phys.Lett.803219GallowayKF，GaitanM，RussellTJ1984IEEETrans.Nucl.Sci.311497StudyontheInfluenceof-RayTotalDos

26、eRadiationEffectonStrainedSiPMOSThresholdVoltageandTransconductance*HuHui-YongLiuXiang-YuLianYong-ChangZhangHe-MingSongJian-JunXuanRong-XiShuBin(KeyLabofWideBand-GapSemiconductorMaterialsandDevices，SchoolofMicroelectronics，XidianUniversity，Xian，710071)*ThisworkwassupportedbyResearchFundfortheDoctora

27、lProgramofHigherEducationofChina(JY0300122503）andFundamentalResearchFundsfortheCentralUniversities(GrantNos.K5051225014andK5051225004)CorrespondingauthorE-mail:HYPERLINKmailto:aaabbb.cccTelbstract:ThispaperanalyzedthemicroscopictransportprocessesofthebiaxialstrainedSiPMOFETscarriersin-rayradiation,revealedthemechanismof-rayandtheevolutionbetweenthedeviceselectricalcharacteristicsandhetotaldose,establishedthethresholdvoltageandtransconductanceselectricalcharacteristicsofthemodelundertotaldoseradiationcondition,andmadeasimulation.Fromtheresultofthesimulation,absolutethres