（材料学专业论文）SiOlt2gt介质材料辐照损伤噪声测试结构研究.pdf

摘要 摘要 二氧化硅( s i 0 2 ) 是集成电路( i c ) 中常用的介质材料，也是m o s 器件及其 i c 中最易受辐照损伤的部位。为此，对s i 0 2 介质材料辐照效应的研究将会保证 m o s 器件及其i c 在核辐射环境下使用的可靠性。噪声与材料及器件的内部缺陷密 切相关，可以做为材料及器件无损评估的工具。而s i 0 2 是一种绝缘材料，为了研 究其抗辐照性能，必须设计能灵敏反映其辐照损伤并便于测试表征参量的样品结 构。 本文为了设计s i 0 2 介质材料辐照损伤噪声测试结构，使用低频1 f 噪声来表 征其抗辐照性能，主要工作和结论有： 1 、深入研究了s i 0 2 介质材料的辐照效应及噪声产生机制，建立了存在于 m o s f e t 中的s i 0 2 介质辐照损伤模型和1 f 噪声产生模型。通过对模型中潜在缺 陷微观信息的研究，建立起基于辐照前1 f 噪声的m o s f e t 辐照退化模型，并提 出m o s f e t 抗辐照能力的预测方法。即通过m o s f e t 辐照前1 f 噪声的测量，就 可以预测经历一定剂量辐照后分别由氧化层陷阱电荷和界面陷阱电荷诱使的闽值 电压漂移。模型模拟结果与辐照实验实测结果符合良好，证明了所建模型的正确 性。 2 、以m o s f e t 辐照退化噪声表征的定量数学模型做为s i 0 2 介质材料测试结 构设计的理论模型，制定较全面的测试结构设计规范，完成测试样品的物理结构、 版图结构和制造的设计。 关键词：二氧化硅1 f 噪声电离辐照测试结构预测 a b s l r a c t a b s t r a c t s i l i c o nd i o x i d e ( s i 0 2 ) i saf a m i l i a rk i n do fd i e l e c t r i cm a t e r i a l si ni n t e g r a t ec i r c u i t s o c ) ，a n da l s oi st h ep a r tw h i c hi st h em o s tl i a b l et or a d i a t i o nd a m a g ei nm o sd e v i c e s a n di c t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho nr a d i a t i o ne f f e c to fs i o ad i e l e c t r i cm a t e r i a lw o u l d e n s u r et h er e l i a b i l i t yo fm o sd e v i c e sa n di c ，w h i c ha r eu s e di nt h en u c l e a rr a d i a t i o n e n v i r o n m e n t t h en o i s ei sn e a r l yi n t e r r e l a t e dw i t ht h ei n n e rd e f e c t si nt h em a t e r i a l sa n d d e v i c e s ，a n dc o u l db eu s e da san o n d e s t r u c t i v ee v a l u a t i o nt 0 0 1 m o r e o v e r , s i 0 2i s i n s u l a t e dm a t e r i a l f o r t h er e s e a r c ho nr a d i a t i o n - r e s i s t a n tc a p a b i l i t yo fs i o zd i e l e c t r i c m a t e r i a l aj ( i n do fs a m p l es t r u c t t a - e s , w h i c hc o u l db es e n s i t i v et or e f l e c ti t sr a d i a t i o n d a m a g ea n de a s yt om e a s u r ei t sr e p r e s e n t a t i o np a r a m e t e r s ，m u s tb ed e s i g n i nt h i sp a p e r , f o rd e s i g n i n gt h er a d i a t i o n - d a m a g e n o i s et e s ts t r u c t u r e so fs i 0 2 d i e l e c t r i cm a t e r i a la n d u s i n gl o w f r e q u e n c y1 fn o i s et od e s c r i b ei t sr a d i a t i o n - r e s i s t a n t c a p a b i l i t y , t h ep r i m a r yc o n t r i b u t i o n sa n dc o n c l u s i o n sa r es h o w na sf o l l o w s ： 1 r a d i a t i o ne f f e c ta n dn o i s em e c h a n i s mo fs i o zd i d e e t r i cm a t e r i a lh a v eb e e n s t u d i e dd e e p l y , a n dr a d i a t i o nd a m a g em o d e la n d1 fn o i s em o d e lo fs i 0 2d i e l e c t r i ci n m o s f e th a v eb e e ne s t a b l i s h e d t h r o u g ht h er e s e a r c ho nm i c r o c o s m i ci n f o r m a t i o no f t h e1 a t e n td e f e c t si nt h em o d e l s ，m o s f e tr a d i a t i o nd e g r a d a t i o nm o d e lw h i e hb a s e do n p r e a r r a d i a t i o n 1 fn o i s eh a sb e e ne s t a b l i s h e da n dt h ef o r e c a s tt e c h n i q u eo fr a d i a t i o n r e s i s t a n tc a p a b i t i t yo nm o s f e th a sb e e np r o p o s e d n a m e l y , t h r o u g ht h em e a s u r e m e n t o fp r e ，- i r r a d i a t i o n1 fn o i s ei nm o s f e t , t h r e s h o l dv o l t a g ed r i f t sd u et oo x i d e t r a pa n d i n t e r f a c e - t r a pe h a r g ea f t e rs o m ed o s er a d i a t i o nc o u l db ep r e d i c t e d t h e s i m u l a t i o n r e s u l t so ft h em o d e la g r e ew e l lw i mt h em e a s u r e m e n tr e s u l t st h a tp r o v e st h ev a l i d i t yo f t h em o d e l 2 b a s e do nt h et h e o r ym o d e l ，w h i c hi st h eq u a n t i t a t i v em a t h e m a t i cm o d e lo f m o s f e tr a d i a t i o nd e g r a d a t i o na n dn o i s ed e s c r i p t i o n ，o fs i 0 2d i e l e c t r i cm a t e r i a lt e s t s t r u c t u r ed e s i g n , g e n e r a ld e s i g nc r i t e r i o no ft h et e s ts t r u c t u r e sh a sb e e ne s t a b l i s h e d ，a n d t h ep h y s i c a ls t r u c t u r e ，t h el a y o u ts t r u c t u r ea n dt h em a n u f a c t u r ed e s i g n so ft h et e s t s a m p l e sh a v eb e e na e e o m p l i 幽c d k e y w o r d s ：s i l i c o nd i o x i d e l fn o i s ei o n i z a t i o nr a d i a t i o nt e s ts t r u c t u r e s p r e d i c t 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名日期：j 衄 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。( 保密的 论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名 导师签名： 奶犍融 旌互 日期：型：2 ：! 日期：翌墨旦! ! 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 随着航天技术，核能等高科技领域的迅速发展，越来越多的半导体器件和集 成电路( i c ) 需要在辐照环境中工作。而作为目前半导体器件和i c 中常用介质材 料的二氧化硅( s i 0 2 ) ，以其优异的机械、电学、介电和化学稳定性，与硅( s i ) 半导体材料之间近乎完美的界面和相当成熟的理论及生产工艺，一直在i c 行业中 扮演着重要的角色【l 】。s i 0 2 介质在半导体器件和集成电路中通常用作：1 ) m o s 器 件的绝缘栅材料；2 ) 隔离相邻晶体管的绝缘介质；3 ) 器件和集成电路的钝化层。 m o s 器件易受电离辐照损伤【2 。”，特别是m o s 器件中的s i 0 2 介质层，在这方面， 国内外已经有许多相关的研究。随着微电子技术的迅速发展，器件的尺寸按比例 缩小，辐照损伤对场氧和钝化层的影响也将不可忽略。2 0 0 7 年，张建新等人【”研究 了在同种类型的硅光电二极管上生长的不同厚度的钝化膜的抗辐射性能。同时， 也有一些通过在栅介质层中注n 或注f ，使s i 0 2 介质层的抗辐射性能提高的研究 9 - 1 0 。另外，新型抗辐射器件s i s i 0 2 界面因辐射产生的俘获电荷和界面态理论是2 0 世纪9 0 年代以来研究的热门课题之一【l l 】。因此，对于s i 0 2 介质材料辐照的研究是 很有必要的，也将有助于材料和器件抗辐射加固等相关科研课题的开展。 大量研究表明，在半导体器件中，随着s i 0 2 介质厚度的减小，器件的抗辐射性 能提高。但当s i 0 2 介质层的厚度减到几n n l 以下时，随之产生的主要问题【l 到有：1 ) 漏电流的增加；2 ) 杂质扩散。所以近几年出现了许多有关高k 介质材料 i , 1 2 a 3 的研 究，希望可用于取代s i 0 2 介质材料。要取代s i 0 2 介质材料，人们还需要综合考虑许 多方面的问题【l 】，其中最主要的两个问题是：1 ) 与现有器件工艺流程匹配问题；2 ) 高k 材料与s i 衬底间界面性质研究。结合材料特性和理论分析，人们普遍认为最有 可能取代s i 0 2 介质材料的高k 介质材料将是二氧化铪( h i d 2 ) 和= 氧化锆( z r 0 2 ) 。 而相对于高k 介质材料，s i 0 2 介质材料具有前面所说的许多优异特性，要取代 传统的s i 0 2 介质是一项非常艰巨而浩大的系统工程。更何况，国内还未见有关高k 介质材料辐照损伤的研究，国外对这方面的研究还比较少，理论尚未成熟，要在 航天技术、核能等高科技领域的半导体器件和i c 中使用高k 介质材料，还将需要一 段相当长的时间。因此，对于s i 0 2 介质材料辐照损伤的研究仍具有实际意义，同时 可为将来高k 介质材料辐照损伤的研究提供一定的参考。 早期应用于材料辐照损伤研究的扫描电子显微镜( s e m ) 、沟道背散射、红外 光谱( r ) 、电子顺磁共振( e p r ) 、深能级瞬态谱仪( d l t s ) 和正电子湮没( p a t ) 2 s i 0 2 介质材料辐照损伤噪声测试结构研究 等技术【l ”，都存在许多局限性，如扫描电子显微镜( s e m ) 技术，要求样品制备 得很薄，因为样品对电子的吸收比较严重；沟道背散射技术的主要缺点是测量精 度低；红外光谱( i r ) 技术不能直接确定能级、灵敏度低；电子顺磁共振( e p r ) 技术所涉及的仪器设备、实验技术及数据处理都很复杂；深能级瞬态谱仪( d l t s ) 技术只能揭示材料的深能级分布状态；正电子湮没( 盯) 技术只能研究和揭示在 小尺寸缺陷团的状态及其运动过程。由于上述的研究技术都存在各种各样的不足， 因此现在不被普遍使用。所以，很有必要寻求一种方便、快速、灵敏且完全非破 坏性的技术来表征材料和器件辐照损伤的程度。大量研究结果表明，低频噪声是 导致器件失效的各种潜在缺陷的灵敏反映，国外使用低频噪声来研究双极和m o s 器件的可靠性也有三十多年的历史，并取得了令人满意的成果，这有望将噪声用 于s i 0 2 介质材料辐照损伤的研究。 一般来说，电子材料的噪声测量比常规器件更为困难，因为电子材料的噪声 信号相对比较微弱，并且s i 0 2 是一种绝缘材料，不能直接使用探针来检测其噪声信 号，而必须设计成某种测试结构，该测试结构必须能灵敏反映辐照损伤并便于测 试表征参量，这也是本课题研究要达到的最终目的。 国外早在上个世纪八十年代末就开始了电子元器件辐照损伤与噪声参量之间 的相关性研究 1 5 - 1 8 】。研究结果表明，m o s 器件中的s i 0 2 介质材料辐照损伤的程度 与辐照前m o s 器件的噪声幅值强烈相关。国外通常是利用噪声来研究m o s f e t 或 m o s 电容测试样品的辐照损伤，从而表征s i 0 2 介质材料的辐照损伤。其中，对于 执行总剂量辐照测试，m o s 电容是目前最方便的测试结构【】”。由于国内对于1 f 噪 声的研究起步较晚，在这方面的研究仍处于空白阶段。虽然范隆【2 0 】，余学峰【2 l 】等 人采用m o s 电容结构，从微观氧化物电荷、界面态的感生变化及界面态的能量分 布变化等角度，研究了s i s i 0 2 系统的总剂量辐照损伤特性，但该研究只能定性表 征s i 0 2 介质的辐照损伤，未能得出灵敏的定量表征模型。本课题的研究可填补这方 面的空白。 1 2 课题研究内容 本课题研究的主要目的是参考国外相关研究成果，根据m o s 器件辐照损伤理 论与实验研究结果，设计能灵敏反映s i 0 2 介质材料辐照损伤并便于测试表征参量 的样品结构。在s i 0 2 介质辐照实验数据拟合的经验模型和理论模型基础上，研究 s i 0 2 介质辐照损伤与噪声参量的相关性及用噪声表征s i 0 2 介质材料抗辐射能力的 数学模型。 为此，本文分为六章对研究内容进行论述，各章内容安排如下：第一章就本 课题相关研究背景及国内外研究动态进行了论述。第二章简要介绍了s i 0 2 介质材 第一章绪论 3 料的辐照效应及l l f 噪声理论，为阅读本论文提供所需的背景知识。第三章介绍了 选取s i 0 2 样品进行的辐照退火和参量测量实验，以及对实验结果进行了分析。第 四章详细介绍s i 0 2 介质材料测试结构辐照损伤和噪声表征设计模型的建立及进行 实验验证，并以模型为基础，分析测试结构的设计理论。第五章提出测试结构的 设计方案，包括物理结构、版图结构和制造的设计。第六章简要概括了论文的主 要工作和结论，并展望下一步的工作。 第二章s i 0 2 介质材料的辐照效应及1 ，f 噪声理论 一5 第二章s i 0 2 介质材料的辐照效应及1 f 噪声理论 2 1s i 0 2 介质材料的辐照效应 2 1 1 集成电路中的常用介质材料s i 0 2 s i 0 2 是集成电路中的常用介质材料，在半导体器件和集成电路中通常用作：1 ) m o s 器件的绝缘栅材料；2 ) 隔离相邻晶体管的绝缘介质；3 ) 器件和集成电路的 钝化层。所有固态形式s i 0 2 的主要结构单元是s i 0 4 的四面体，如图2 1 所示。在 所有形式的s i 0 2 中，不管它是晶体的，玻璃质的，还是无定形的，都具有0 一s i 一0 之间键角为1 0 9 。的局部四面体配位结构，这些四面体的连接形成固体是通过发生 在四面体的拐角处键合而形成的。集成电路中的介质通常为无定形结构，因此无 定形的s i 0 2 引起更大的关注。在四面体的拐角处，s i 0 - s i 原子之间的键角也如图 2 1 所示。这个连续变化的键角( 一般在1 2 0 。到1 8 0 。之间变化) 产生了一个无 定形s i 0 2 的“连续随机网络模型”，如图2 2 所示。 o 蜀嘻m 掰龇 图2 1s i 0 2 介质材料的微观结构 图2 2 无定形s i 0 2 的“连续随机网络模型” 口；o o 、与 图2 3s i 0 2 介质材料中的主要缺陷类型 冬 笋一 p o z 6 s i 0 2 介质材料辐照损伤- 噪声测试结构研究 s i 0 2 介质中与辐照损伤有关的主要缺陷有：氧化层中的氧空位缺陷和s v s i 0 2 界面处的三价硅悬挂键，这两种缺陷也是m o s 器件辐照损伤产生的主要缺陷，如 图2 3 所示。s i 0 2 介质中和s f f s i 0 2 界面处的主要陷阱电荷有可动离子电荷( q k ) ， 固定氧化层电荷( q f ) ，氧化层陷阱电荷( q 。) 和界面陷阱电荷( q i t ) ，如图2 4 所示。其中对器件辐照损伤影响最大的是氧化层陷阱电荷( q 。) 和界面陷阱电荷 ( o j 。) 。这些陷阱的能级在费米能级附近，由于通过受到辐照或其他外因影响，将 产生能级跃迁，吸收或发射载流子，引起载流子涨落产生噪声。 ；算j 至纂蒯7 ，弋十! 专? 0 、，? 未j n t e f f a 趱3 缸州醢嫩伊i 图2 4s i 0 2 介质材料中的电荷分布 2 1 2 辐照效应的基本概念 有四种类型的辐射能够对材料及器件产生辐照效应，这四种类型的辐射分别 是质子( p r o t o n s ) 、电子( e l e c t r o n s ) 、中子( n e u t r o n s ) 和伽马射线( g a m m ar a y s ) 。其 中，伽马射线是电磁辐射，其能量大于x 射线的典型值。辐射对材料作用的两个基 本效应为位移( d i s p l a c e m e n t s ) 辐射效应和电离( i o n i z a t i o n ) 辐射效应。 位移辐射效应是指辐射粒子穿入固体物质，与晶格原子发生弹性碰撞，使原 子离开原来的晶格位置，从而产生晶体缺陷，改变器件的电学特性。半导体器件 中的位移辐射效应主要产生于半导体材料( 如s i ) 内部，这种损伤有时也称为体辐 射损伤( b u l kr a d i a t i o nd a m a g e ) 。电离辐射效应是辐射粒子进入物质，与物质内 的电子相互作用，把自身的能量传给电子。如果电子获得的能量大于原子的结合 能，电子就会脱离原子核的束缚，成为自由电子，原子也就电离成为离子。电离 效应主要决定于电子吸收的能量，与辐射类型无关。对于一般的辐射来说，电离 主要决定于吸收机制。所以，电离损伤可以用每单位体积的物质吸收的能量来度 第二章s i 0 2 介质材料的辐照效应及l ，f 噪声理论一7 量，常用的单位为r a d ( 拉德) 或者g y ( 戈瑞) 。l r a d = 1 0 0e r e d g ，1g y = 1 j k g = 1 0 0 r a d 。因为对于给定的剂量，电荷释放决定于材料吸收的能量，电离剂量必须指定 特定的吸收体，例如，l r a d ( s i ) ，l r a d ( s i 0 2 ) ，l r a d ( g a a s ) ，或用国际( s i ) 单位制， 1 g y ( s i ) 等等。 电离辐射效应又包括两种损伤类型：瞬态损伤效应( t r a n s i e n td a m a g ee f f e c t s ) ( 在半导体内) 和表面损伤效应( s u r f a c ed a m a g ee f f e c t s ) ( 在绝缘体内) 。由此可见， 对s i 0 2 介质材料及其器件影响较大的电离辐射效应是表面损伤效应。表面效应使半 导体器件的性能产生半永久的变化。这种变化是由于在接近于表面的电离或者对 于钝化器件，在接近于钝化层中的电离引起的。 按辐照剂量分，器件及材料的电离辐照效应还可分为总剂量效应和剂量率效 应。只要半导体器件暴露在辐照环境中， 积累下来。只用晶体管受到的辐照剂量， 在电子元器件整个寿命期辐照效应就会 就能够完全表征器件的特性并预测器件 失效和性能退化，这就是辐照总剂量效应( t o t a ld o s ee f f e c t s ) 。电路中也存在另 种与吸收辐射剂量率有关的辐射效应，这些效应包括集成电路的信号颠倒，闩 锁( 1 a t c h u p ) 和回跳( s n a pb a c k ) ，双极晶体管和n 沟道功率晶体管的烧毁。所有 这些效应都是由于p n 结在辐射条件产生光电流的结果，辐射剂量率越高，产生的 光电流就越大，出现上述问题的几率也就越大，这种效应称为剂量率效应( d o s e r a t ee f f e c t s ) 。本文主要研究的是s i 0 2 介质材料在电离辐射条件下的辐照总剂量效 应。 2 1 3 介质材料的辐照效应 介质材料是一种绝缘体，绝缘体和半导体有许多相似之处，也存在明显的差 别。半导体的能带理论概念同样可适用于绝缘体，只是在定量性质上有些差别。 绝缘体禁带中的缺陷能级虽然也可充当施主、受主、俘获或复合中心，但大部分 是俘获中心。 介质材料电离效应的基本物理过程与半导体有些相似，也有些重要差别。在 介质材料中产生一电子空穴对所需要的能量大于半导体( 稍小于气体) 。由于介质 材料中没有大量多子本底屏蔽电离产生的载流子，沿致电离粒子径迹的激发事件 之间的距离，小于粒子径迹之间的距离，至少在低剂量时如此。因此，介质材料 中的电离是沿一个明确的径迹发生的，径迹内的分立电荷不互相屏蔽；如果不存 在径迹重叠，电离产生的载流子在绝缘体内的分布是不均匀的，集中在径迹周围 一个很小的范围内。径迹内成对复合和俘获过程使载流子数量减少。由于介质材 料内有效陷阱密度往往大于电离产生的非平衡载流子浓度，只有少量载流子可以 离开径迹，大部分在径迹内被陷阱俘获。 8 s i 0 2 介质材料辐照损伤- 噪声测试结构研究 总之，介质材料特别易受电离损伤。介质材料电离效应的特点是：电导率的 瞬态增长有明显的延迟分量；电离沿入射粒子的路径发生( 局域性) ；可建立空间 电荷或发生极化。同时，可能引起退色、发光、气体释放和物质结构的永久性变 化。介质材料的电离效应可迸一步引发元器件的表面效应、结漏泄电流、光电流、 电感应烧毁和闭锁等。 辐射的电离作用可以在介质材料中引入非平衡载流子。辐射产生的非平衡载 流子的产生率g 与受照剂量率d 和受照材料的密度p 及电离e p 有关【1 4 】： g ：6 2 5 1 0 5 坐 ( 2 1 ) e o 其中，e p 与禁带宽度e g 有关，对于s i 0 2 ：熔融合金，髟= 2 8 e v ，乞= 3 1 ； 热生长膜，乞= 1 8 e v ，以= 2 0 。 2 2m o s 器件的辐照损伤 m o s 器件是由金属、半导体和绝缘介质等材料制备的。材料性能的变化必然 要导致器件性能的变化。不过，器件的辐射效应比材料要复杂得多。首先，元器 件不可能无限大或半无限大，载流子的注入、输运、俘获和收集，最终要过渡到 表面和受表面的影响；表面有受周围介质( 包括空气) 的影响；其次，器件中存 在不同介质接触界面。器件的辐射效应，除了与材料和结构及辐射性质和环境条 件有关外，还与工作模式有关。 2 2 1 微观机理 s i 0 2 介质层是m o s f e t 对电离辐照损伤最敏感的部位。在辐照环境中，材料 吸收辐照能量就有可能产生原子电离，从而产生电子空穴对。s i 0 2 介质层具有绝 缘特性，电子空穴对不会立即复合。如果栅极没有加偏置，氧化层中没有电场， 产生的电子和空穴就会停留在氧化层的原位置，最终依靠扩散实现复合。当氧化 层中存在电场时，由于电子的迁移率远远大于空穴的迁移率，电子将离开氧化层， 而空穴集中在氧化层中。很明显，如果栅极不加偏置，m o s f e t 的电离辐射总剂 量效应很弱。所以，晶体管应该在其工作条件下进行辐照试验，以保证电离辐照 损伤总剂量效应能够积累下来。氧化层中的氧空位缺陷俘获空穴，形成带正电的 缺陷( f 心) 1 2 2 1 ，e 心的形成如图2 5 所示。这里，带正电的电荷称为氧化层陷阱 电荷。 第二章s i 0 2 介质材料的辐照效应及1 f 噪声理论 ! 图2 5e 心形成的示意图图2 6 p b 0 形成的示意图 电离辐照过程中产生的氢离子( i f ) 可以激活被氢钝化的三价硅悬挂键p b i - i ， 形成界面陷阱( p b 心) 【2 3 1 ，p b 心的形成如图2 6 所示。对于n m o s f e t ，界面陷 阱带负电荷；对于p - m o s f e t ，界面陷阱带正电荷。它们统称为界面陷阱电荷2 3 1 。 r a d i a t i o n 图2 7m o s 器件辐照响应的物理过程示意图，引卧3 b o r n ( h - 0 a 彻 r ”d o e o t w 图2 8 空穴俘获，永久退火和补偿过程的模型，引自【3 】 m o s 器件辐照响应的物理过程如图2 7 所示。图中，( 1 ) 为通过电离辐照产 生的电子一空穴对：( 2 ) 为在s i 0 2 体内，空穴通过局部态跳跃传输过程：( 3 ) 为在 1 0 s i 0 2 介质材料辐照损伤一噪声澳4 试结构研究 s i s i c h 界面附近的深空穴俘获过程；( 4 ) 为在s i 带隙中的辐照诱导界面陷阱形成 过程。图2 8 为氧空位缺陷辐照诱生俘获、退火及补偿过程的示意图。 2 2 2 宏观表现 电离辐射会使m o s 器件的电性能在较短时间内发生明显变化。辐射损伤严重 时，还会导致电路失效。器件电性能的变化，在宏观上表现为闽值电压的漂移， 跨导和迁移率的降低，亚闽值特性的退化，沟道和栅泄漏电流的增加等。其中， 阈值电压漂移和跨导退化是m o s f e t 辐照损伤的主要反映。 ( 1 ) 阈值电压漂移 阈值电压漂移是辐照诱生的氧化层陷阱电荷和界面陷阱电荷共同作用的结 果。对于p - m o s f e t ，辐照诱生的氧化层陷阱电荷和界面陷阱电荷均为正电荷，使 阈值电压随辐照总剂量的增加，持续负向漂移；而对于n - m o s f e t ，辐照诱生的氧 化层陷阱电荷为正电荷，界面陷阱电荷为负电荷，在较低的辐照总剂量下，氧化 层陷阱电荷占主导地位，使阖值电压负向漂移，随着辐照总莉量的增加，界面陷 阱电荷占主导地位，致使阈值电压正向漂移。这就是所谓的，n m o s f e t 受辐照引 起阈值电压漂移的“反弹”现象。对于n p m o s f e t ，分别由氧化层陷阱电荷和界 面陷阱电荷引起的阈值电压漂移，如图2 9 和图2 1 0 n 示。 乙一尸 。 _ 。弋 d m ( a r b i t r a r yt m l t 3 ) 图2 9n - m o s f e t 的阈值电压漂移 ( 2 ) 跨导退化 丁 。型堕逝 。、m 。 心d m 矗纷兮 d o s e ( a r t i t r t r y _ m 自b 图2 1 0p - m o s f e t 的阈值电压漂移 0 7 辐照产生的氧化层陷阱电荷和界面陷阱电荷均会使m o s f e t 亚阈特性发生蜕 变，在阂值电压漂移的同时也表现为的跨导的退化。因为栅压取不同的值可以使 栅氧化层的界面态排空或填满。这些额外的态能够调制电场，就需要给栅极增加 电荷或减少电荷，使晶体管沟道达到所需要的电场。另外，也需要更高的电压使 得晶体管处于强反型。这将影响数字电路的开关速度。 第二章s i 0 2 介质材料的辐照效应及l f 噪声理论 旦 2 3 11 f 噪声概述 2 3l f 噪声理论 电子器件的噪声通常由白噪声，1 f 噪声和g - r 噪声三种分量构成，其功率谱 密度可以写成 骱刊哆+ ( 2 2 ) 1 u f o ) 。 式中，彳为白噪声幅度，占为1 f 噪声幅值，r 为频率指数因子，c 为g - r 噪声幅值， 而和a 分别为其转折频率和指数因子。不同的噪声分量以及各个分量的不同表征参 数具有不同的物理意义，对应于器件的不同结构特征与缺陷特性。对于m o s f e t 而言，其噪声主要为1 f 噪声。因此，本文主要研究实验样品的低频1 f 噪声特性。 从广义上讲，凡是功率谱密度与频率成反比的随机涨落现象均可称为l f 噪声。 电子器件中1 f 噪声电压的功率谱密度可以写成以下形式【硎： s 。0 f 、= a ip f 7 t 2 - 3 ) 式中，i 为通过器件的电流；f 为频率；参数a 由器件结构特性决定；常数7 - - 0 8 1 2 ，典型值为1 0 ；b _ 2 0 ( 均匀材料) 或1 o 以0 ( 结构较复杂的器件) 。经典的 方法用功率谱密度和y 指数表征信号，前者反映了信号的能量，后者反映了信号的 频率特性和分形性质。y 指数与氧化层中陷阱的位置和分布密切相关。7 = 1 ，陷阱 密度均匀；户1 ，由深氧化层慢态俘获较快浅近表面陷阱占主导地位；， ( - + ) 0 2 ( + 厶) 0 5 ( + ，- ) 1， ( + ) 2 、， ( + 厶) 3 3 1 3 电荷分离 电离辐照将会导致m o s f e t 的阈值电压发生漂移，这是因为辐射在m o s 器 件的氧化层和s v s i 0 2 界面处引入了陷阱电荷。为了研究电离辐射对m o s 器件介 质层的影响，要得到辐照前后介质层的电荷变化，在本文实验中采用带隙中部亚 阈值方法【2 7 】对分别由氧化层陷阱电荷诱使阈值电压漂移v 。和由界面陷阱电荷诱 使阈值电压漂移v i t 进行分离。 1e - 3 1 e - 5 1e - 7 2 * e - 9 1 e 1 1 e 1 3 v t - 3210123456 v b i 、) 图3 8 带隙中部亚阈值法的示意图 如图3 8 所示，使用带隙中部亚阈值方法对n m o s f e t 辐照前后阈值电压进 行分离。m o s 器件接受辐照后，氧化层陷阱电荷( 主要是正电荷) 使i d v g 特性 曲线向左边漂移，界面陷阱电荷导致曲线展宽。各种方法说明界面陷阱主要是s i 禁带上部的类受主和禁带下部的类施主，以及中禁带表面势垒上的近似中性的电 s i 0 2 介质材料辐照损伤噪声测试结构研究 荷。因此，带隙中部技术认为辐射诱发的中禁带电压漂移( v 。) 与氧化层陷阱 电荷引起的阈值电压漂移( a v 。) 相等。界面陷阱电荷( a v n ) 引起的阈值电压漂 移定义为a v t 与a v 。之间的差值。因此，可以根据m o s f e t 亚阈值工作特性的 影响来区分圪，和巧，。 m o s f e t 饱和区的亚阈值电流由式( 3 - 1 ) 给出 i e = 压t 。厶p x n ，n 。) 2 唧溉九) ( 3 1 ) 式中，九为s u s i 0 2 界面处能带弯曲的程度，n 。为沟道掺杂浓度，咒，是本征载流 子浓度，l 。是d e b y e 长度，由岛= k ( 届) 给出，= q k r ，c 。= , ( r r 2 l ) 。 是把阈值电压外推后的阂值电流，。是带隙中部电流，即当能带在界面处弯曲 程度为丸时的电流，这里九= ( k t q ) l n ( n 。n ，) 。，。非常小，一般在0 0 1 0 1 p a ， 通常需要把曲线线性外推至，。的范围。是对应，。的带隙中部电压。 3 2 11 f 噪声的偏置特性 3 2 实验结果与分析 f l e e t w o o d 等人【1 5 郴1 研究表明，m o s f e t 的1 f 噪声偏置特性近似可以用下式 表示： 以南厂 ( 3 - 2 ) 式中，k 为归一化1 f 噪声幅值。对比1 f 噪声的一般表示形式，可得到如下式所 示关系。 b = k 乓 ( 3 3 ) i 一巧l 由( 3 3 ) 式可明显看出，m o s f e t 漏电压涨落的l f 噪声幅值b 与漏压v d 的平方成正比，而与有效栅压( 圪一巧) 的平方成反比。 图3 9 和图3 1 0 分别为3 c 0 2 bp - m o s f e t 在相同栅压，不同漏压偏置条件下 的1 f 噪声功率谱和1 f 噪声幅值b 与漏压v d 关系的拟合结果。图3 9 表明1 f 噪 声功率谱随着v d 的增大而增大。在b 与v d 关系的双对数坐标系中，图3 1 0 所示 的线性拟合的斜率大约为2 ，说明b 与、，d 的平方成正比，即bo c 2 。 图3 1 1 和图3 1 2 分别为3 d 0 2 fn m o s f e t 在相同栅压，不同漏压偏置条件 下的1 f 噪声功率谱和1 f 噪声幅值b 与漏压v d 关系的拟合结果。它们分别与图 3 9 和图3 1 0 有类似的实验结果。细看图3 1 2 ，可以发现，虽然其线性拟合的斜率 第三章s i o ：样品的辐照- 曝声实验 也大约为2 ，但是数据点都明显偏离所拟合的直线。根据第4 1 2 节所建立的较全 面的m o s f e t 中1 f 噪声产生模型，可以得到较好的解释。 v a t 、n 图3 93 c 0 2 b 在不同漏压下的l f 噪声功率谱图3 1 03 c 0 2 b 的b 与v d 关系的拟合结果 涂墓 t ( h z )v d ( v ) 图3 1 13 d 0 2 f 在不同漏压下的l f 噪声功率谱图3 1 23 d 0 2 f 的b 与v d 关系的拟合结果 分析m o s f e t 在相同漏压，不同栅压偏置条件下的1 f 噪声特性，发现有与 前面分析相类似的实验结果。即1 f 噪声功率谱虽然随着有效栅压( 圪一) 的增大 而减小，但并不完全存在文献 1 5 1 8 t o f 究表明的1 f 噪声幅值b 与有效栅压的平方 成反比，品* ( 名一巧) 2 。这一结论同样可以由第4 1 2 节所建模型得到较好的解 释。 3 2 2 辐照及退火前后主要电参量的变化 使用简易测试方法测得的实验样品辐照和退火前后的i v 曲线如图3 1 3 所示。 随着辐照总剂量的增加，曲线负向漂移增大；而随着退火时间的增长，曲线回漂。 这与p m o s f e t 辐照和退火前后阈值电压漂移的理论符合。 阈值电压漂移是辐照诱生的氧化层陷阱电荷和界面陷阱电荷共同作用的结 果。对于p m o s f e t ，辐照诱生的氧化层陷阱电荷和界面陷阱电荷均为正电荷， 使阈值电压随辐照总剂量的增加，持续负向漂移；而对于n m o s f e t ，辐照诱生 的氧化层陷阱电荷为正电荷，界面陷阱电荷为负电荷，在较低的辐照总剂量下， 3 4 5 6 5 一【-z孑)p $ i 0 2 介质材料辐照损伤一噪声测试结构研究 氧化层陷阱电荷占主导地位，使阈值电压负向漂移，随着辐照总剂量的增加，界 面陷阱电荷占主导地位，致使阈值电压正向漂移。这就是所谓的，n - m o s f e t 受 辐照引起阈值电压漂移的“反弹”现象。为了区分两种电荷分别对阈值电压漂移 的贡献，本文采用了类似的带隙中部亚阈值方法【2 “。辐照和退火前后的阈值电压 漂移v | t ，由氧化层陷阱电荷诱使的阈值电压漂移v 。和由界面陷阱电荷诱使的 阈值电压漂移a v “如图3 1 4 所示。对于该p m o s 器件，v n 在辐照过程中变化不 大，在退火过程中基本上不变。在辐照和退火过程中，引起该器件阈值电压的漂 移主要是氧化层陷阱电荷的贡献。 s n o 2 图3 1 3 ( a ) 辐照和( b ) 退火前后曲线的变化 4 - v n ) d 啦t j d )t ( ，) 卜一i r r l d i a t 卜一h 1 一 图3 1 4 辐照和退火前后v t ，a v “和a v n 的变化 3 2 3 辐照及退火前后噪声参量的变化 1 f 噪声幅值b 在辐照和退火前后的变化如图3 1 5 所示。1 f 噪声幅值b 随着 辐照总剂量的增加而增加，随着退火时间的增长而减小，这主要是由于产生1 f 噪 声的缺陷就是辐照感生的氧化层陷阱堋。因此。可使用低频l f 噪声来表征 m o s f e t 的辐照退化。 啦 舢 觚 椰 加 札 叭 蚰 y q 第三章s i 0 2 样品的辐照一噪声实验 2 1 ( a ) 3 c o 。( h d ) ( b ) 3 c 0 2 b o2 0 0 0 0 0 o o mg m o o oa o o o m1 o o o o l ( 耐 图3 1 5 ( a ) 辐照和( b ) 退火前后l f 噪声幅值b 的变化 3 2 4 电参量与噪声参量变化的相关性 比较图3 1 4 和图3 1 5 可知，辐照和退火前后，b 与v t 的变化趋势一致。这 是由于，m o s f e t 的l f 噪声产生机理【4 】为位于半导体氧化层界面附近几个纳米范 围内的氧化层陷阱通过俘获和发射过程与沟道交换载流子，在引起载流子数涨落 的同时也通过库仑散射导致沟道载流子迁移率的涨落。则可以断定，引起阈值电 压漂移和产生1 f 噪声的陷阱为同一陷阱。 蔷肿即1 3 - 0 2n o0 , 20 40 , 60 81 , 0t 2f “，( v ) 图3 1 6 a b 与a v t 的关系曲线 f l e e t w o o d 等人 1 5 - 1 5 1 的大量实验研究也证明了m o s 器件辐照前的1 f 噪声功率 谱幅值与辐照后由氧化层陷阱电荷诱使的闽值电压漂移a v 。强烈相关。而与辐照 后由界面陷阱电荷诱使的阈值电压漂移a v “没有类似强烈的相关性。图3 1 6 所示 为辐照后a b 与一a v t 的关系曲线，说明了辐照后电参量的变化与噪声参量的变化 存在着一定的关系，提示人们可以使用噪声参量来灵敏、无损地表征m o s 器件的 辐照损伤。 第四章测试结构设计模型及设计理论 第四章测试结构设计模型及设计理论 4 1m o s f e t 测试结构抗辐照能力预测模型 4 1 1m o s f e t 的辐照退化机理 m o s 器件的辐照退化主要表现在电离辐照条件下，s i 0 2 介质层缺陷对电荷的 俘获导致器件的阈值电压发生漂移。其中，辐照后导致m o s f e t 闽值电压漂移是 s i 0 2 介质层中的氧化层陷阱电荷和s i s i 0 2 界面附近的界面陷阱电荷共同作用的结 果。 = a v o ，+ = 一乒叱毗 ( 4 1 ) i - ：o xt 。o x 式中，对于n m o s f e t ，取正号；对于p - m o s f e t ，取负号。9 为电子电量， c ：= o 为氧化层单位面积电容，气为氧化层介电常数，0 为氧化层厚度，。 和a n 分别为辐照后氧化层陷阱和界面陷阱的增量。 根据辐