形成了辐射潜在损伤Indico课件

重离子辐照对深亚微米MOS器件(qìjiàn)栅介质可靠性影响的研究1

马腾2017年10月13日,北京·高能所中国科学院新疆(xīnjiānɡ)理化技术研究所第一页，共二十页。

汇报提纲

研究背景与意义

实验(shíyàn)简介

实验结果

机理分析

总结2第二页，共二十页。随着(suízhe)科学技术的发展，微电子器件在航空航天、军事、能源领域广泛应用

研究(yánjiū)背景与意义3高性能，低功耗的微纳米器件在该领域的应用(yìngyòng)受到广泛关注第三页，共二十页。芯片(xīnpiàn)工艺发展趋势→高集成度、高可靠性器件(qìjiàn)内部电场随着特征尺寸的变化趋势内部电场增强导致(dǎozhì)各类物理效应凸显有效途径新结构（如LDD）新材料（如H-K）一、研究背景及意义

研究背景与意义4第四页，共二十页。一、研究(yánjiū)背景及意义

研究背景(bèijǐng)与意义深空辐射(fúshè)环境下的器件失效模式与失效率示意图5第五页，共二十页。(1)原因(yuányīn)一：随着特征尺寸的缩小，内部电场增强(2)原因二：辐照(fúzhào)导致氧化层损伤1.热载流子注入2.栅介质(jièzhì)软击穿3.介质经时击穿效应4.7MV/cm5MV/cm纳米器件栅介质受到辐射损伤和介质经时击穿效应共同影响。栅介质的可靠性成为威胁器件寿命的重要因素因此，对辐射环境下栅介质的可靠性研究变得尤为重要。

研究背景与意义6第六页，共二十页。样品描述：0.13umPDSOIMIS电容，面积为45*100um2，四种(sìzhǒnɡ)不同的样品分别代表电路设计中四种(sìzhǒnɡ)不同的分立器件。器件类型栅氧厚度宽长比（W/L）辐照偏置总注量1.2VN+Pwell约2nm45/100（um）零偏107/cm23.3VN+Pwell约6.8nm45/100（um）零偏/加偏107/cm21.2VP+Nwell约2nm45/100（um）零偏107/cm23.3VP+Nwell约6.8nm45/100（um）零偏107/cm2实验(shíyàn)简介7第七页，共二十页。辐照前后3.3N型器件(qìjiàn)栅氧电流的变化辐照前后(qiánhòu)1.2N型器件栅氧电流的变化浮空偏置的重离子试验中，我们没有观测到明显的漏电而只是略有(lüèyǒu)上升。栅极泄露电流实验结果8第八页，共二十页。

辐照(fúzhào)前与不同总剂量辐照(fúzhào)下的栅氧层漏电图与能带解释这种偏置情况下的漏电来源不是由于栅氧层结构改变(gǎibiàn)而是由于电离能损带来的MIS结构能带的变化。栅氧泄露电流的主要来源是FN隧穿电流，该电流大小(dàxiǎo)强烈依赖于能带的弯曲程度实验结果9第九页，共二十页。辐照与退火前后(qiánhòu)器件的栅极泄露电路变化趋势图（a）3.3N型（b）3.3P型经过100℃高温退火，器件(qìjiàn)的栅极泄露电流几乎恢复到了辐照前的初始值，这说明这种潜在的损伤是可以退火的。实验(shíyàn)结果10第十页，共二十页。氧化物陷阱电荷只能改变栅氧层电子(diànzǐ)势垒，而决定栅氧寿命的关键在于重离子在栅氧层中造成的氧化层结构缺陷，在100℃退火温度下，这些结构缺陷不能被退火，从而器件的TDDB寿命没有变化实验(shíyàn)结果11第十一页，共二十页。对高栅压偏置的器件漏电曲线进行拟合，得到了栅电流与栅压的关系：IG=1.02VG6.10，与QPC模型符合的很好，意味着在高栅压下，重离子辐照导致(dǎozhì)器件栅极泄露电流随着栅压尖锐的爬升，栅氧层被重离子轰击后已经软击穿。实验(shíyàn)结果12第十二页，共二十页。TDDB试验栅电流与应力时间示意图若Imeasure＞10Xiuse，认为器件已经(yǐjing)击穿。辐照造成(zàochénɡ)的栅氧寿命减少与辐照偏置相关，很明显，在较高栅压偏置下的辐照器件寿命退化多，偏置电压越高，寿命减小越多。实验(shíyàn)结果13第十三页，共二十页。简化(jiǎnhuà)的损伤模型把正常的栅氧层N等分，蓝色代表理想(lǐxiǎng)中的栅氧层，红色代表存在缺陷的栅氧层正常(zhèngcháng)的栅氧化层（把栅氧N等分分层化）存在导电通道的击穿栅氧化层IGate正常SiO2带缺陷的SiO2缺陷积累形成了漏电路径存在缺陷，但不漏电栅氧层结构缺陷的产生“元凶”：重离子的类位移效应机理分析14第十四页，共二十页。重离子辐照(fúzhào)重离子辐照(fúzhào)破坏了SiO2的短程有序。TDDB应力(yìnglì)重离子导致重离子导致TDDB导致重离子导致缺陷更容易链接阳极与阴极导致击穿机理分析15第十五页，共二十页。

栅压偏置辐照下的器件剖面图与两种可能(kěnéng)的栅氧损伤机理在栅压偏置下，耗尽层的强电场收集SEE效应(xiàoyìng)电离的载流子，这些载流子在电场的作用下被加速从而向栅极发射造成二次损伤。机理(jīlǐ)分析16第十六页，共二十页。栅偏辐照器件的能带示意图：当辐照导致的缺陷(quēxiàn)密度增高时，独立的能力可以联合起来形成准连续的能带，这种情况下会出现辐照导致的软击穿现象。机理(jīlǐ)分析17第十七页，共二十页。总结(zǒngjié)电离损伤导致的微剂量率效应(xiàoyìng)改变了栅氧的能带结构，使得RILC上升，这部分电荷缺陷不影响器件的TDDB寿命，位移效应造成的器件栅氧层结构改变大大降低了栅氧层质量，形成了辐射潜在损伤。退火试验仅可以减小RILC，但不能消除重离子造成的永久性损伤，甚至由于高温的作用，加速了栅氧层的老化。关态下的器件，重离子造成的潜在损伤来源于类位移损伤，破坏了二氧化硅的网状结构。处于工作状态下的器件由于沟道下耗尽层对重离子电离的载流子的收集，热电子向栅极发射，将产生对栅氧层的二次损伤，这是关态下不存在的损伤模式。18第十八页，共二十页。请各位老师批评指正

感谢(gǎnxiè)观看！第十九页，共二十页。内容(nèiróng)总结重离子辐照对深亚微米MOS器件栅介质可靠性影响的研究。2017年10月13日,北京·高能所。随着科学技术的发展，微电子器件在航空航天、军事、能源领域广泛应用