（材料物理与化学专业论文）sio2介质材料辐射损伤噪声灵敏表征技术研究.pdf

摘要 摘要 随着航空航天技术的发展 越来越多的电子器件用于辐射环境 辐射会影响电 子器件的性能和可靠性 现有的电子器件抗辐射能力评价方法存在一定的局限性 因此为了保证电子器件在辐射环境下的可靠性 迫切需要一种快速 灵敏 简便 易行的方法 评价电子材料 工艺和器件的抗辐射能力 器件性能参数的退化往往来源于材料中缺陷的积累 本文研究了半导体器件 和集成电路中广泛应用的s i 0 2 介质材料的辐射损伤机理 通过分析辐照期间材料 中缺陷形成的微观机制和物理运动过程 得到s i 0 2 介质材料辐射损伤统一物理模 型 之后在材料与器件相结合的辐射效应研究方法的指导下 分析了m o s 工艺中 两种氧化层介质材料辐射损伤对器件性能影响的差异 提出s i 0 2 介质材料辐射损 伤的测试结构的设计思想 并完成了封闭栅 多栅等测试结构的版图设计和投片 制备 本文还设计辐照实验 根据实验结果验证了测试结构和s i 0 2 介质材料辐射 损伤模型 并对比电学参数和噪声参数辐照前后的变化规律 优选了1 f 噪声幅值 召和频率指数因子y 值为噪声灵敏表征参量 在1 f 噪声统一模型中引入了反型层 载流子密度对散射因子的影响 讨论了1 f 噪声幅值召与源 漏电压和有效栅压的 关系 并尝试从理论上建立m o s 器件1 f 噪声和1 序噪声的联系 使用封闭栅结 构m o s f e t 的测试结果分析了噪声频率指数因子y 与栅极电压之间的关系 利用 模型得到的方法对辐照前后测试结构s i 0 2 介质材料缺陷的能量分布因子f 和空间 分布因子 7 分别进行了提取 发现孝随辐照有增大趋势 刀有减小的趋势 最后基 于修正的1 f 噪声模型提出了s i 0 2 介质材料辐射损伤噪声灵敏表征技术 包括参数 提取方法 失效判据的确定和测试程序等 本文通过建立s i 0 2 介质材料的辐射损伤模型 设计辐射损伤 参量测试的实验 样品以及研究噪声表征模型和方法等几方面的工作 提出了s i 0 2 介质材料辐射损 伤噪声灵敏表征技术 为运用噪声表征电子材料 工艺和器件的抗辐射能力提供 了一种表征方法 关键词 s i 0 2 介质材料 辐射损伤噪声灵敏表征技术 a b s t r a c t i i i a b s t r a c t w i t ht l l ed e v e l o p m e n to ft h em i c r o e l e c 仃o i l i c st e c h n o l o g ya 1 1 da e r o s p a c et e c l l i l o l o g y 也ep e r f b m a n c eo fe l e c t i o m cd e v i c e sm c r e a s e s 舒e a t l y b mr a d i a t i o nr a y si l ls p a c e 航u b eas e r i o u s 让m a tt ot l l er e l i a b i l i t vo fd e v i c e t h ee v a l u a t i o nm e 址l o d sa v a i l a b l eh a v e s o m ed i s a d v a n t a g e s t h e r e f o r e i i lo r d e rt 0e n s u r et l l er e l i a b i l i t yo fe l e c t r o i l i cd e v i c e s o p e r a t e di i lm e 瑚d i a t i o ne n v i r o 姗e n t ar 印i d s e n s i t i v ea i l ds i m p l em e t h o di su r g e n t l y n e e d e dt oe v a l u a t em er a d i a t i o nt o l e 舢c eo fm a t e r i a l s p r o c e s s e sa n dd e v i c e s n l ed e 乒a i a t i o no fd e v i c ep e r f o r m a n c ep a r 锄e t e r so r i g i n a t e s 丘 o mt h ea c c u m u l a t i o n o fd e f e c t si nma t i r i a l i i l sp a p e r t h er a d i a t i o nd l a m a g em e c h 砌s m so fs i 0 2d i e l e c t r i c 晰d e l yu s e di ns e m i c o n d u c t o rd e v i c e sa n di n t e 伊a t e dc i r c u i t s w e r ei n v e s t i g a t e d a u i l i n e dp l l y s i c a lm o d e lo fm d i a t i o nd a m a g ei 1 1s i 0 2d i e l e c 仃i cm 纳e r i a lw a se s t a b l i s h e d 恤o u 曲t l l ea 1 1 a l y s i so ft h em i c r o s c o p i cm e c h a l l i s ma n dt h ep h y s i c a lp r o c e s sd 证n g i n a d i a t i o 玛也a ti sm eb u i l d u po fo x i d e 乜a p p e dc h a r g ea 1 1 di n t e r f a c et r a pc h a r g e u n d e r t h eg u i 妇l c eo ft h er a d i a t i o ne 虢c t sr e s e a r c hm e t l l o d sw m c hc o m b i n e sm a t e r i a l sw i m d e v i c e s m er a d i a t i o n 妇n a g ep r o p e r t i e so fs i 0 2d i e l e c t r i cm a t e r i a l i nd i 虢r e n tp a i r t so f s e m i c o n d u c t o rd e v i c e sw e r es t u d i e d 锄dt e s ts t l l j c t u r e s f o rr a d i a t i o nd 锄a g ew e r e d e s i g n e d t h ei n a d i a t i o ne x p e r i m e mw a l sd e s i g i l e dt ov e r i 黟n l ec o r r e c t n e s so ft e s t s 锄p l ea n dt 1 1 ep h y s i c a lm o d e lo fr a d i a t i o nd 锄a g e a c c o r d i n gt 0 t h ec o m p 撕s o n b e t w e e ne l e c t r i c sp a r 锄e t e r sa i l dn o i s e 1 fn o i s e 锄p l i t u d eb 甜l d 丘 e q u e n c yf a c t o ry w e r ec h o s e na s 也en o i s es e n s i t i v ec t e r i z a t i o np a r a m e t e r s b yt a k i n gi i l t oa u c c o u 1 1 t o fm ei m p a c to fi n v e r s i o nc 删e rd e n s i t o nt h es c a t t e r i n gc o e 伍c i e n t l fn o i s e 锄p l i t u d eb a sam n c t i o no fg a t eb i a sa n dd r 砸nb i a s v e r ed i s c u s s e d t l l er e l a t i o n s 王l i p b e t w e e n1 fn o i s em o d e la n d1 序n o i s em o d e lw 嬲a l s oc o n c e m e d t h er e l a t i o n s h i p b e 觚e e nm eg a t eb i a s 觚dn o i s e 仔e q u e n c yf a c t o ry 糯a n a l y z e dt l l r o u 曲m e e x p e r i m e n tr e s u l t s 行o mn l ee n c l o s e dg a t em o s f e t s a n d t h ee n e r g rd i s 仃i b u t i o nf a c t o r a n ds p a t i a ld i s t r i b u t i o nf a c t o r s 印o fm ed e f e c t sw e r ee x t r a c t e d 廿1 er e s u l t ss h o w m a t 毒t e n d st od e c r e a s ea i l d 7t e n d st oi n c r e a s e 谢t 1 1t l l ea c c 啪u l a t i o no fr a d i a t i o n d o s e f i n a l l y o nt h eb a s i so fa m e n d e d1 fn o i s em o d e l t l l en o i s es e n s i t i v e c h a r a c t e r i z a t i o nt e c h i l i q u ef o rr a d i a t i o nd a m a g ei l ls i 0 2d i e l e c 仃i c m a t e r i a lw a s p r o p o s e d i n c l u d i l l gp a u n e t e re x t r a c t i o nn l e t h o d s f a i l u r ec r i t e r i aa n dt e s tp r o c e d u r e s n l r o u 曲m ee s t a b l i s h m e n to ft 1 1 e m o d e lf o rr a d i a t i o nd a m a g ei 1 1s i 0 2d i e l e c t r i c m a t e r i a l t l l ed e s i 萨o fr a d i a t i o nd a m a g e p a r a m e t e rt e s ts 锄p l e sa s e l la sm e r e s e a r c h o nn o i s ec h a r a c t e r i z a t i o nm o d e la n dm e t h o d an o i s es e n s i t i v ec h a r a c t e r i z a t i o n s i o 介质材料辐射损伤噪声灵敏表征技术研究 t e c h n i q u ef o rr a d i a t i o n 妇a g ei ns i 0 2d i e l e c t r i cm a t e r i a l v a sp r 叩o s e d i tp r o d u c e sa n e wm e t h o df o rt 1 1 er a m a t i o nt o l e r a n c ee v a l 吼t i o no ft h ee l e c 协o i l i cm a t e r i a l t e c h n o l o g y a n dd e v i c e s k e y w o r d s i 0 2d i e l e c t r i cm a t e r i a l r a d i a t i o nd a m a g e n o i s es e n s i t i v ec h a r a c t e r i z a t i o n i b c h n i q u e 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已在论文中做了 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 j 本人签名 晕军f 壶牮 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撰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 日期 忽毕4 日期 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 自从硅基金属 氧化物 半导体场效应晶体管 m o s f e t 面世以来 s i 0 2 介质 材料就以其稳定的化学性质 优异的机械性能和电学性能以及成熟的理论和生产 工艺 在半导体i c 工艺中扮演着极其重要的角色 s i 0 2 介质材料可用作对杂质选 择扩散的掩膜材料 m o s 器件的绝缘栅介质材料 器件表面的保护膜或钝化层 器件之间和不同版层间的隔离介质 还可以用作集成电路中电容器元件的介质层 随着微电子技术 航空航天技术领域的迅速发展 越来越多的半导体器件和 集成电路都需要在空间辐射环境中工作 空间的高能辐射射线对航天系统的可靠 性构成严重威胁 一方面电子器件性能由于微电子技术的高速发展得到极大提升 失效率已经降低到很小 使用常规的检测方法很难挑选出存在可靠性隐患的器件 另一方面 空间的高能辐射射线将在器件材料中引入大量缺陷 对器件的可靠性 构成严重威胁 为了保证电子器件在辐射环境下的可靠地工作 迫切需要一种能 快速 灵敏 简便易行地评价电子材料 工艺和器件抗辐射能力的方法 由于硅基半导体工艺的特点 s i 0 2 介质材料在半导体器件工艺中应用非常广 泛 材料的性质对最终器件性能的影响也非常显著 在辐射环境中 电子系统中 常用的半导体器件都会出现不同程度的性能退化 如双极晶体管增益减小是由于 辐射在基极氧化层界面引入了界面陷阱导致复合电流增大 l j m o s 器件会出现阈 值电压漂移 跨导降低 泄漏电流增大等性能退化现象 2 这些器件的辐射效应与 s i 0 2 介质材料存在千丝万缕的联系 可以说s i 0 2 介质材料的耐辐射损伤程度对大 多数硅基半导体器件的抗辐射能力有非常重要的影响 因此研究s i 0 2 介质材料的 辐射损伤具有非常重要的意义 上世纪9 0 年代 人们就开始对m o s f e t 电离辐照前l f 噪声及其经历电离辐 照后电参数的变化进行研究 3 大量研究表明低频噪声可以非常灵敏地反映辐照后 半导体器件内部的各种潜在缺陷 实验结果表明辐照前m o s 器件的1 f 噪声的幅 值正比于辐照后氧化层陷阱电荷导致的阈值电压漂移量 这一现象可以通过 m o s f e t 的1 f 噪声理论进行解释 即1 f 噪声反映了器件中栅氧化层缺陷的数量 从微观机制上考虑 对低频1 f 噪声有贡献的是氧化层界面附近几纳米范围内的能 量在费米能级附近的氧化层陷阱电荷 辐照后它们与沟道载流子的相互作用的增 强导致了1 f 噪声幅值的增大 同时辐照后器件性能的退化也与氧化层中缺陷的形 成存在正相关关系 因此1 f 噪声和电参数的退化存在同一起源 4 辐照前器件的 噪声越大意味着栅氧化层中缺陷密度越大 辐照后器件的电学性能发生的改变越 s i 0 2 介质材料辐射损伤噪声灵敏表征技术研究 大 两者必然存在某种内在关联 这就为人们使用噪声表征m o s 器件介质材料的 辐射损伤 预测电子器件抗辐射能力提供了有力的理论依据 1 2 1 研究现状 1 2 研究现状和主要问题 器件性能参数的退化来源于材料中缺陷的积累 传统的材料与器件辐射效应 研究相互脱节或各自独立进行 材料辐射效应研究重点在于材料的辐射损伤 主 要关注材料中缺陷产生的微观机理及动力学过程 而器件辐射效应研究重点在于 器件电学参数的变化和性能退化 材料研究的目的在于应用 电子材料主要用于 制造电子器件 辐射环境中 电子器件的辐射损伤产生在材料之中 而辐射效应 表现为材料和器件性能的退化 因此 为了满足电子器件和电路辐射加固的需要 必须将材料和器件辐射效应研究有机结合起来 人们很早就对材料的辐射效应进行了深入研究 对于电离辐射 人们认为高 能射线可以在氧化层体内及其界面引入大量氧化层陷阱电荷和界面陷阱电荷 l 这 些电荷将可能调制器件的表面势 影响附近区域内载流子的运动方式 从而引起 半导体器件电参数的退化 k l e i i l 等 5 j 提出漂移 复合 d r 模型对辐射诱导氧化 层陷阱电荷的实验结果进行了解释 得到氧化层陷阱电荷与辐射剂量成正比例关 系 对于界面陷阱电荷密度与辐射剂量的关系目前仍存在争议 实验结果存在一 些不一致 辐照后界面陷阱电荷密度形成可能与辐射剂量的2 3 次方成正咄6 9 也可能与辐射剂量的1 2 次方成正比 lo 1 1 j 目前也是研究的热点问题之一 本文将 从两种辐射诱导陷阱电荷形成的物理过程和动力学机制上对两者进行研究 得到 了s i 0 2 介质材料的辐射损伤统一模型 不同材料的辐射响应有所差异 处于器件的不同部位和在器件中起不同作用 的材料的辐射损伤对器件性能的影响也存在较大差异1 2 随着半导体工艺的发展 工艺特征尺寸不断缩小 栅极氧化层厚度不断变薄 器件辐照后阈值电压漂移很 小 因此栅氧化层介质材料本身就具有了较强的抗辐射能力 尽管如此 小尺寸 m o s f e t 辐照后又出现了诸如边缘泄漏电流增大 栅极泄漏电流增大等可靠性问 题 导致m o s f e t 关断状态的功耗急剧增加 性能变坏 成为影响器件性能退化 的重要因素 1 2 l3 此时人们把对s i 0 2 栅极氧化层介质材料的辐射损伤的一部分注 意力从转移到场氧化层上 后者的辐射损伤也成为最近研究的热点话题之一 1 4 l 5 1 由于辐射效应可能来源于组成器件的不同材料 包括材料的性质和材料所处位置 的不同 因此从材料的角度出发 独立研究各种材料对器件辐射效应的影响是很 有必要的 目前 人们为了提高应用于空间系统的电子元器件的可靠性 而对电子元器 第一章绪论 件进行的抗辐射能力筛选方法之一就是预辐照筛选 l 引 预辐照筛选技术作为筛选 甄别加固电子元器件抗辐射能力的手段 采取了 辐照一退火 两步走的方法 首先 将要筛选的器件一次性辐照到要考察的累积剂量 挑选出其中参数变化没有超出 规范要求的器件 然后通过适当的温度和偏置条件退火 使其辐射损伤得到尽可能 大的恢复 再将其用于实际应用 但是这种方法存在被筛选样品预辐照后的电离辐 射损伤是否能够最大限度地恢复 这种方法在筛选过程中实际上已经在器件中引 入了缺陷 以及经过辐照筛选后的器件辐射损伤特性是否能够与第一次保持一致 的问题 并且该方法检测成本高 评价周期长 噪声作为一种灵敏表征工具应该在器件筛选上大有作为 西安电子科技大学 噪声实验室在m o s 器件抗辐射能力噪声表征方面已经做了大量的工作 彭绍泉等 人 l j 通过理论研究已经得到了m o s f e t 辐照退化噪声预测模型 结果表明可以通 过器件辐照前低频1 噪声的测量 模拟计算出器件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导的阈值电压漂移 并且与实验测试数据有很 好一致性 这为噪声表征技术应用到材料 工艺的抗辐射能力评估以及实际的电 子器件抗辐射筛选打下了非常坚实的基础 在实际中还需要解决一些问题 例如 如何确定模型中两种界面陷阱电荷形成关系 这涉及到材料微观缺陷密度和热力 学平衡常数的确定 给实际应用带来一些不便 另外在处理材料与器件辐射损伤 以及参数提取方面还需要有进一步的工作 1 2 2 需解决的问题 本项目研究目的有两点 一是为电子材料抗辐射能力表征提供一种快速 灵 敏 简便易行的方法 可直接应用于材料和工艺抗辐射能力表征 二是在第一步 工作的基础上发展一种半导体器件抗辐射能力无损检测方法 为电子器件辐射加 固和筛选提供新的技术手段 为了研究s i 0 2 介质材料的辐射损伤噪声灵敏表征技 术 需要解决以下几个关键问题 1 首先要分析s i 0 2 介质材料辐射损伤效应和损伤机理 根据辐射损伤的微 观机制和缺陷输运物理过程 建立描述表征材料缺陷辐照前后变化的数学模型 建立材料辐射损伤的定量关系 2 材料辐射损伤 参量测试样品的设计 针对不同的s i 0 2 介质材料的特点 研究材料辐射损伤 参量测试样品物理结构的设计原理 设计包含材料处于器件和 电路不同易损部位的测试结构 期望能方便地通过测试结构的电参数变化了解和 掌握s i 0 2 介质材料的辐射损伤规律 3 灵敏表征参量的优选 参考国内外的实验结果和理论研究成果 确定表 征参量的优选原则 通过辐照实验结果对比目前通用的电学参数和噪声参数对辐 4 s i 0 2 介质材料辐射损伤噪声灵敏表征技术研究 射损伤的敏感程度 优选出噪声灵敏表征参量 4 结合s i 0 2 介质材料辐射损伤与材料缺陷产生的相关性模型 以及缺陷对 器件性能参数的关系 再结合噪声产生模型 分析噪声对材料辐射损伤的响应 最后得出运用噪声参量灵敏表征器件辐射性能参数退化的关系模型 5 噪声灵敏表征技术的研究 包括表征方法 失效判据的确定以及表征技 术的测试程序 1 3 论文结构 为解决以上问题 本文依据缺陷形成模型 材料与器件相结合的辐射效应研 究方法 s i 0 2 介质材料表征参量研究以及灵敏表征技术研究分类 全文共分为五 章 结构如下 第二章从s i 0 2 介质材料在m o s 器件中的应用出发 研究了介质缺陷与m o s 器件性能的关系 再基于辐照期间m o s 结构中s i 0 2 介质材料缺陷形成的微观机 制和物理运动过程 得到了s i 0 2 介质材料辐射损伤物理模型 讨论m o s 器件电 学参数和1 f 噪声的辐射响应 提出材料和器件相结合的辐射效应的研究方法 第三章首先提出介质材料辐照 噪声测试样品的设计思想 之后设计了辐照实 验 验证了设计样品和s i 0 2 介质材料辐射损伤物理模型的正确性 分析了噪声的 偏置特性和辐射特性 最后根据实验结果将1 f 噪声幅值b 和噪声频率指数因子y 优选为噪声灵敏表征参量 第四章本章从m o s f e t 的1 f 噪声统一模型出发 考虑栅极电压对缺陷能量 空间分布的影响 结合载流子浓度与散射因子的相关性讨论 得到了使用噪声参 量表征s i 0 2 介质材料辐射损伤的灵敏表征模型 并基于该模型提出了s i 0 2 介质材 料辐射损伤的表征技术 包括噪声灵敏表征方法 参数提取方法 失效判据以及 测试流程等 第五章简要地总结了论文的研究工作及得到的主要结论 并展望下一步工作 第二章s i o 介质材料辐射损伤表征原理研究 第二章s i 0 2 介质材料辐射损伤表征原理研究 2ls i 0 2 介质材料的器件应用 2 11s i 0 2 介质与m o s 器件 s l q 介质材料以其优越的性质在半导体器件和集成电路中得到非常广泛的应 用 在硅半导体工艺中它们可作为对杂质选择扩散的掩膜 器件表面的保护膜或 钝化层以及作为集成电路中电容器介质 在c m 0 s 电路中s i 0 2 是制作m o s f e t 的关键材料 使用热生长工艺制作的质量很高的氧化层可作为c m 0 s 器件的绝缘 栅氧化层材斟 当栅极施加适当的偏置时 靠近氧化层的硅衬底界面形成导电沟 道 栅氧化层的性质对最终器件的性能有至关重要的影响 也是衡量工艺先进性 的重要参考标准之一 通过硅的局部氧化 l o c o s 或浅槽隔离 s t l 工艺制作 的场氧化层可用于器件之间或不同版层间的隔离介质 2 隔离氧 图21 所示为 m o s 器件的结构图 图中简单地说明了s i 0 2 介质材料在c m o s 器件中的应用 s o m b u c m o s s h 帕u 陀 圈2 1s 1 0 2 介质材料与m o s 器件 2l2s i 0 2 介质缺陷与m o s 器件性能 s s i 0 2 界面是硅和二氧化硅的过渡区域 受晶格常数不匹配及材料原子处于 非化学计量比的影响 界面及附近将残留一定的晶格应力 形成缺陷中心 另外 s i 0 2 介质材料是很好的绝缘体 因此在外界应力的影响下很容易在体内储存电荷 对于m 0 s f e t 等依靠半导体表面效应工作的m o s 器件 载流子在材料的界面附 近输运 运动状态不可避免地会受到介质材料及其界面性质的影响 s i 0 2 介质体 内和s s i 0 2 界面处的主要陷阱电荷有可动离子电荷 口r 固定氧化层电荷 q f 氧化层陷阱电荷 q o 和界面陷阱电荷 9 如图22 所示 随着工艺技术的提 高 可动离子电荷已基本被消除 其余三种电荷起源于晶格的不匹配 非化学计 6s i 0 2 介质材料辐射损伤噪声灵敏表征技术研究 量比以及应力的影响 较难消除 这些陷阱中心可能与流经界面的载流子发生交 换 调制硅的表面势 造成器件参数的不稳定性变化 同时这些缺陷还能起复合 中心的作用 俘获或发射载流子 导致器件表面泄漏电流以及l f 噪声的增加 对器件的性能产生重要影响 嘁删二 i 望v 辜赫掣 j 了薯 薯 i 一 缸曲懿触 戗州曲豳挚 图2 2s i 0 2 介质材料中的电荷分布 2 2s i 0 2 介质材料辐射损伤机理与模型 2 2 1s i 0 2 介质辐射缺陷形成 随着航空航天工程和核能技术的发展 电子器件辐射损伤研究受到广泛重视 辐射作用于器件材料原子 激发电子 空穴对 在电场作用下 电子与空穴发生分 离形成瞬时电流 引起辐射瞬态效应 而一部分载流子会停留在介质层内部并随 辐射剂量的增加不断累积 引起电离辐射总剂量效应 2 导致电子器件性能的退化 甚至失效 这些失效与器件中的氧化层绝缘材料的辐射损伤密切相关 因此研究 辐射环境下s i 0 2 介质材料的辐射响应显得尤其重要 图2 3 电离辐射过程中空穴和质子的输运示意图团 s i 0 2 介质材料的辐射损伤主要表现为栅氧化层内部及其界面处陷阱对辐射诱 导电荷的俘获 参与电荷俘获的缺陷类型较为复杂 主要有氧化层内的氧空位缺 第二章s i 0 2 介质材料辐射损伤表征原理研究 7 陷和s i s i 0 2 界面处的三配位硅悬挂键缺陷1 1 2 lo j m o s 结构中的s i 0 2 栅氧化层介 质及其界面是电离辐射损伤敏感部位 引起m o s 器件电离辐射效应的陷阱电荷按 照其性质和位置的差异可分为氧化层陷阱电荷和界面陷阱电荷1 2 j 如图2 3 所示 辐射诱导陷阱电荷形成的物理过程大致可分成以下几个步骤 1 s i 0 2 介质材料 受电离射线的照射后 在氧化层中激发大量电子 空穴对 逃离初始复合的电子在 电场作用下很快离开氧化层 而空穴迁移率较小 被氧化层内的空穴陷阱俘获 形成氧化层陷阱电荷 2 辐射产生的一部分空穴会与氧化层内部的含氢缺陷 如 s i h 和 或s i o h 发生反应 释放质子 l 州 3 由于衬底电子不能通过隧穿将其 中和 在界面附近以质子形式存在1 2 u j 的氢在电场作用下向s i s i 0 2 界面移动 与被 氢钝化的三价硅悬挂键 p b h 发生界面反应 形成界面陷阱电荷 p b 心 2 0 2 这两种辐射诱导陷阱电荷的形成将引起m o s 器件性能的退化 2 2 2s i 0 2 介质材料中缺陷的微观机制 s i 0 2 是硅的氧化物 在自然界可以以多种形式存在 集成电路使用的s i 0 2 介 质材料大多为无定形结构 s i 0 2 介质材料中缺陷大致可分成两类 氧化层缺陷和 界面缺陷 1 氧化层缺陷 受热动力学的限制 不管工艺如何提高 材料中总是会残留一些缺陷 无定 形s i 0 2 体内的缺陷大致可以分为两类 本征缺陷和非本征缺陷 这两种缺陷均具 有电活性 在辐射条件下可能发生反应而带电 1 本征缺陷 氧空位 v o 电中性时氧空位是可表示为o 产s i s i 兰o 它是相邻的两个硅四面体结构丢 失一个氧原子后形成的结构 该缺陷与空穴相遇后将俘获空穴变成正电中心 该 过程可表示为 0 3 三s i s i 三0 3 h 专0 3 三s i s i 三0 3 2 1 氧空位的浓度与工艺条件相关 辐照期间 氧空位缺陷既可以俘获空穴 变成带 正电荷的e 心 也可以俘获一个电子 这都会导致器件性能退化 至今人们至少 发现了三种类型的e 心 即耳 e 和e 田 其中后两种缺陷又统称为e 心 三者共同的特点是含带一个未配对电子的三配位硅原子结构0 兰s i 不同荷电状 态的氧空位都具有俘获电子或空穴的能力 由于各种结构的氧空位空间结构存在 较大差异 因此对电子或空穴的俘获能力有所不同 表2 1 是通过理论计算得到的 各种氧空位对电子和空穴的俘获面积 2 2 可以发现 所有的三种氧空位对电子的 俘获能力均小于对空穴的俘获能力 所以一般情况下 氧化层陷阱电荷总体表现 为荷正电状态 这也为后面建立s i 0 2 介质材料辐射损伤模型提供了假设前提 s i 0 2 介质材料辐射损伤噪声灵敏表征技术研究 表2 1 不同状态氧化层缺陷对电子和空穴的俘获截面 2 2 2 非本征缺陷 含氢缺陷 氢普遍存在于半导体制造工艺中 氢的引入可以消除s i s i 0 2 界面硅悬挂键缺 陷 但同时也在氧化层中引入氢成分 导致出现新的缺陷 无定形s i 0 2 介质材料 中氢原子的性质与其周围的局部结构密切相关 可以以氢分子 质子或与其它原 子形成共价键的方式存在 当氢原子所处的元胞呈电中性时 氢原子位于空位位 置 与硅原子形成价键时 硅原子将成为五配位原子 s i s i h 还可能与桥氧 原子形成价键 s i o h 另外氢原子还可能与氧空位发生反应 氧空位中心吸 收氢原子 或氢分子 在氧化层介质内部同样可形成含氢缺陷 2 2 即 o 兰s i s i 暑o h o 三s i e h s i 兰o 2 2 0 3 暑s i s i 兰0 3 h 2 一0 3 暑s i h h s i 暑0 3 2 3 因此 半导体工艺中引入的氢气将与s i 0 2 介质材料的氧原子或硅原子发生反 应而固化在介质层中 形成如s i o h 或s i h 等结构的含氢缺陷1 2 3 它们的存在 为界面陷阱电荷的形成提供条件 为后面讨论方便用符号d h 统一表示 2 界面缺陷 栅氧化层及其界面由于晶格不完整形成的缺陷称为界面态 界面陷阱能级位 于s i s i 0 2 界面处的禁带中 由于界面陷阱位于界面处及附近 因此它们能够与硅 衬底自由地交换载流子 电子自旋共振 e s r 结果表明电离辐射在m o s 结构中 引入了p b 心 2 3 这些缺陷中心是s i s i 0 2 界面处悬挂键轨道垂直于界面的三价硅原 子 双极器件使用硅 1 1 1 面 因此只含有一种类型界面缺陷 即p b o 心 m o s 器件使用硅 1 面 因此含有两种类型界面缺陷 即p b o 心和p b l 心 下标l o 表示与硅原子连接的氧原子个数 如图2 4 所示 由于界面硅悬挂键的存在和晶 格的不匹配会极大地影响器件的性能 因此在半导体工艺中 氧化层生长后为消 除界面应力 经常将硅片放置于氢气氛高温退火 以钝化s i s i 0 2 界面上的硅悬挂 键 形成性质较为稳定的被氢钝化的界面陷阱态 s i 三s i h 关于电离辐射条件下界面陷阱电荷的形成 最为人们广泛接受的是氢离子运 动两步模型 其基本过程为 2 4 辐射产生的空穴诱导含氢缺陷释放质子 质子迁 移至界面导致界面陷阱电荷形成 第二童s j o z 介质材料辐射损伤表征原理研究 j ft r 殳 i 奠式义受 曼婴囊 图24s u s j 0 2 界面处的p b 心 1 1 质子的释放 m c l e 柚等人 首先提出了界面陷阱电荷形成的最简单模型 他认为是某种含氢的复合物在俘获空穴后释放出了质子氢 即 d h 斗d h 2 4 m r n m 和r c n d e l l 2 0 认为从缺陷释放出来的不是质子氢 而是中性氢原子 界 面陷阱电荷的形成受氢分子产生及随后氢分子分解的调制 即 d h d 十h 2 5a 2 h 呻h 2 2 5b h 2 d h d h 2 5c 2 界面陷阱电荷的激活 s t p a n 钯l i d e s 等人旧证明 经反应 2 4 或 2 5 释放的氢在s 碍i 0 2 界面附近唯一稳定存在的状态是荷正电的质子h h 在电场 作用下向s v s l 0 2 界面迁移 当它与s s i 0 2 界面处被氢钝化了的中性界面陷阱态相 遇时 可能夺去后者的氢 将其重新激活 并释放出氢分子 该过程可表示为 h s i e s i h 斗s l s 1 十h 2 2 6 释放出的氢分子可能再经过反应 2 5 激发更多的质子释放 导致界面陷阱的进 一步增加 界面陷阱电荷的形成与外加电场和温度有关 并且在较高电场和温度 下形成的速率较快 e s r 研究表明界面陷阱p b 心是一种两性缺陷l 矧 其荷电状态 将随表面电势的变化而变化 可以带正电 负电或是中性 当表面势位于费米能 级上方带正电 位于赞米能级下方时呈电中性的界面陷阱称为类施主缺陷 位于 费米能级上方呈电中性 位于下方时带负电的界面陷阱称为类受主缺陷 223s 1 0 2 介质材料辐射损伤物理模型 通过上两节的描述 已经对电离辐射条件下氧化层陷阱电荷和界面陷阱电荷 形成的物理过程和微观机制有了较为清晰的理解 从中发现 两种陷阱电荷的形 成都有相同的源头 即辐射产生的空穴 氧空位俘获空穴形成氧化层陷阱电荷 空 激发含氢缺陷释放质子 质子迁移至s s i o 界面激活被氢钝化了的界面陷阱 因此辐照后两种陷阱电荷的形成量之间必然存在某种联系 实验结果表明m 0 s 器件在较低辐射剂量下辐射诱导氧化层陷阱电荷密度与辐 1 0 s i 0 2 介质材料辐射损伤噪声灵敏表征技术研究 射剂量成线性关系 7 8 1 当辐射剂量很高时 陷阱电荷密度将出现饱和的趋势 k l e i n 等1 9 j 提出漂移 复合 d r 模型对该结果进行了解释 但其氧化层内部各点处的陷 阱电荷体密度与所处氧化层位置无关的假设并不总是成立 特别是在辐照期间氧 化层两端施加外场的情况下 对于界面陷阱电荷密度与辐射剂量的关系目前仍存 在争议 有研究表明 m o s 结构 或m o s 电容器 辐照后界面陷阱电荷密度形 成与辐射剂量的2 3 次方成正比 6 该结论得到了其它研究小组的实验证实 8 9 1 而h j a l l i l a r s o n 等人 lo j 从准化学反应的角度分析表明 当辐射剂量低于某临界值时 辐射诱导界面陷阱电荷形成与辐射剂量成正比 超过该临界值则与辐射剂量的1 2 次方成正比 1 l 另外b a z e 等人 2 8 基于辐射与物质的相互作用可用随机泊松方程描 述的观点 建立了辐照后界面陷阱电荷形成的数学模型 并获得实验数据的支持 显然 这些研究结果存在较大差异 对于两种辐射诱导陷阱电荷形成之间的关系 l e n a l l a n 掣2 9 j 从准化学反应角度证实两者确实存在紧密联系 并从理论上推导了它 们的定量关系 但涉及到缺陷密度和化学反应平衡常数 因此形式较为复杂 不 便于实际使用 为解决以上问题 根据上述m o s 结构的辐射损伤过程 为建立s i 0 2 介质材 料电离辐射损伤的统一物理模型 做如下假设 1 电离辐射时电子 空穴对在氧化层体内均匀产生 2 电子和空穴逃离初始复合后 只考虑空穴的俘获 忽略氧化层内部的电子 俘获 3 忽略电荷在s i s i 0 2 界面附近引起的空间电荷效应 根据以上假设 基于辐射诱导氧化层陷阱电荷和界面陷阱电荷形成的物理过 程 分别讨论两者的形成及其相互关系 1 辐射诱导氧化层陷阱电荷 氧化层中辐射产生的空穴沿垂直于氧化层界面方向的输运可用一维连续性方 程描述 3 u j 当 冬 g 吒 一娶 2 7 优一 a x 这里p 为辐射产生的空穴浓度 f 为辐照时间 g 为辐射剂量率 k 为单位辐射剂 量在单位体积氧化层内产生的电子 空穴对数 为与电场相关的电子 空穴对逃脱 初始复合的几率 3 疋为空穴通量 x 的方向由栅极 氧化层界面指向氧化层 衬底 界面 辐射产生的空穴在向s i s i 0 2 界面输运的过程中 被氧化层体内的空穴陷阱 俘获 形成辐射诱导氧化层陷阱电荷 该过程可用 2 8 式描述 3 0 第二章s i 0 2 介质材料辐射损伤表征原理研究 1 1 鲁 t 刊嘶 蹦 一譬 2 8 这里 i 为氧化层体内的空穴陷阱浓度 p 为被陷阱俘获的空穴浓度 为空穴俘 获截面 f 表示陷阱空穴的退火时间 2 7 式与 2 8 式联立求解 并忽略陷 阱电荷辐照期间的退火效应 可得辐射诱导陷阱空穴在氧化层内的分布为 p t t 1 一p 一 g 7 y 矗 2 9 不考虑质子对氧化层体内正电荷的贡献 辐射诱导氧化层正电荷密度可表示为 酬文 娶 媳 m 去p q 赢 p 讹札 这里d 为辐射剂量 f o x 为氧化层厚度 其中式中可令d c o c r p 唯 1 为氧 化层陷阱特征辐射剂量 可用来描述氧化层介质材料的抗辐射性能 2 1 0 式是 辐射诱导氧化层陷阱电荷密度的一般表示式 由于整个式子比较复杂 可在不同 辐射剂量范围内分别进行简化 较低辐射剂量下 当 唯 k d o 5 时 可做以下t a y l o r 展开并取近似 p 一 矗k l 一 吒 f o x d 量 掣 2 1 1 将 2 1 1 式代入 2 1 0 式 2 1 0 式可简化为 峨i 去 t 毫d 2 1 2 由 2 1 2 式可知在较低辐射剂量下 辐射诱导氧化层陷阱电荷密度毗 与辐射 剂量d 成正比例关系 当辐射剂量d 非常大时 可对 4 式求极限 得到 毗 去 t k 2 1 3 这种情况下所有氧化层陷阱均为空穴占据而达到饱和 氧化层陷阱电荷在整 个氧化层内均匀分布 得到陷阱电荷密度与氧化层厚度成正比的关系 2 辐射诱导界面陷阱电荷 辐射产生的空穴能与氧化层内的含氢缺陷发生反应 释放质子 辐射诱导界 面陷阱电荷的形成主要受界面处与质子相关的界面反应控制 该过程可描述为 3 0 1 2 s i 0 2 介质材料辐射损伤噪声灵敏表征技术研究 等 d h 枷 一誓 协 警 s m 一 i 无 k f 一 i 2 1 5 其中 h 表示氧化层释放的质子浓度 蹦为氧化层体内含氢缺陷浓度 仃d h 为 氧化层体内含氢缺陷对空穴的俘获截面 矗 为氧化层内的质子通量 i 和 s h 分 别为s i s i 0 2 界面处界面陷阱电荷密度和被氢钝化的硅悬挂键密度 q 为界面处被 氢钝化的硅悬挂键对质子的俘获截面 t 是界面陷阱电荷的退火时间 矗 k 为 辐照f 时刻界面处的质子通量 联立 2 1 4 式和 2 1 5 式求解得辐射诱导界面 陷阱电荷密度为 吨吨h 一唧 一知q 碱 s m 1 e x p 一d d d 2 1 6 其中d d 2 仃 h q d h 毫 1 为界面陷阱特征辐射剂量 当辐射剂量较低 满足 驯见 1 时 对于 2 1 6 式可进行如下t a y l o r 展开并取近似 e x p 一丢仃 h q d h 蚝 最 t 一吉盯 h q 蹦蚝 毫 2 一t 7 将 2 1 7 式代入 2 1 6 式 可得 毗 去 s m h q d h 蚝 毫d 2 1 8 在这种情况下辐射诱导界面陷阱电荷密度叭 也与辐射剂量d 成正比例关 系 从 2 1 7 式可以看出辐射诱导界面陷阱电荷密度与辐射剂量的变化规律为较 复杂的关系 在低辐射剂量下 两者近似为线性关系 随着辐射剂量的增大 将 逐渐偏离线性关系 最终趋于饱和 人们在实验中观察到的辐射诱导界面陷阱电 荷密度与辐射剂量成2 3 次方 6 母1 或1 2 次方 l o 1 1 的现象正是这种变化过程的 某一 阶段性表现 3 两种陷阱电荷的关系 基于上述分析 对辐射诱导氧化层陷阱电荷与界面陷阱电荷形成之间的关系 进行讨论 当辐射剂量满足p d d 1 条件 两种陷阱电荷形成处于线性响应的范 围内时 由 2 1 2 式和 2 1 8 式知 两种陷阱电荷密度存在以下关系 第二章s i 0 2 介质材料辐射损伤表征原理研究 1 3 斟磕 t 仃p t i t s i h d h q t h 2 1 9 由 2 1 9 式可以看出 在这种情况下 辐射诱导的两种陷阱电荷密度的比值 与氧化层厚度 辐射剂量和辐照偏置电压等因素无关 而只由m o s 结构材料本身 的性质决定 需要指出的是 2 1 9 式在两种陷阱电荷形成均与辐射剂量成线性关 系的范围内才适用 当辐射剂量较高时 两种陷阱电荷密度之间的关系需要使用 完整的表达式 2 1 0 式和 2 1 7 描述 以上通过考虑辐射环境下缺陷电荷形成的连续性方程 分别推导了辐射诱导 氧化层电荷和辐射诱导界面陷阱电荷与辐射剂量的相关性模型 该模型得到了完 整的辐射诱导氧化层陷阱形成的表达式 从理论上说明了在一般的低剂量辐照下 辐射诱导氧化层陷阱电荷密度将与辐射剂量成正比 在高剂量下出现饱和的趋势 可以用来描述较宽辐射剂量范围内氧化层陷阱电荷形成与辐射剂量的关系 本文 得到的辐射诱导界面陷阱电荷形成的