现代工艺集成电路的总剂量效应及加固技术

现代工艺集成电路的总剂量效应及加固技术作者：褚忠强徐曦
来源：《现代电子技术》2010年第02期
摘要:随着核技术和空间技术的发展,越来越多的电子设备不可避免地应用于各种辐射环境中。

介绍两类重要的辐射环境及现代工艺集成电路总剂量效应的产生机理,详细描述电子空穴对的产生、氧化层陷阱电荷和界面陷阱的特点及对器件或电路的影响,并对现代先进工艺的抗辐射特点及应用前景进行了探讨。

指出随着CMOS工艺不断按比例缩小,作为栅介质
最具应用前景,而Smart_Cut材料则是非常有发展前景的SOI材料,很可能成为今后SOI材料的主流。

关键词:总剂量效应;电子空穴对;氧化物陷阱电荷;界面态
中图分类号:TN43文献标识码:A
文章编号:1004-373X(2010)02-171-04
Total Dose Effects in Modern Integrated Circuit and Hardening Technologies
CHU Zhongqiang,XU Xi
(Institute of Electronic Engineering,Chinese Academy of Engineering
Physics,Mianyang,621900,China)
Abstract:Along with the development of nuclear technology and space technology,more and more electronic equipments are used in all kinds of radiation environments.Two important radiation environments,the mechanism of total dose effects for integrated circuit,including the generation of electron_hole pairs,oxide trapped charge and interface traps are introduced.The advantages and application foreground of a
foreground,and in future the smart_cut material would become the SOI mainstream material.
Keywords:total dose effects;electron_hole pairs;oxide trapped charge;interface traps
0 引言
随着核技术和空间技术的发展,越来越多的电子设备不可避免地要用于各种辐射环境中。

目前,对MOS器件影响最大的辐射环境包括空间辐射环境和核辐射环境两类。

这两类辐射将会对各种元器件及电子系统构成威胁。

辐射对MOS器件的影响主要体现在电离辐射对栅介质的破坏上,因此在分析电离总剂量效应产生机理的基础上,指出选择栅介质材料和改进工艺是MOS 器件辐射加固的重点。

采用被称为“21世纪微电子技术”的SOI材料来制作CMOS和双极电路,可实现全介质隔离。

这与PN结隔离的体硅相比,在抗单粒子特性、抗瞬态辐照和抗中子辐照等方面有着体硅电路不可比拟的优势。

1 辐射环境
1.1 空间辐射环境
随着空间和航天技术的发展,人们在外层空间的活动日益增多,处在外层空间的电子系统则必须要考虑宇宙空间辐射环境的影响。

外层空间辐射主要来自宇宙射线(主要成分是高能粒子),围绕地球的内、外范•艾伦辐射带(主要成分是高能质子和高能电子),以及太阳耀斑辐射(主要成分是高能质子)等。

此外,还有太阳风,极光辐射等。

从辐射观点看,电离总剂量是一个非常严重的问题,一个地球卫星的电子系统每年所接受的累计辐射剂量可达100 Gy以上,对于暴露在外表面的元器件则更高,这将大大降低卫星的寿命。

1.2 核辐射环境
除天然辐射环境外,核武器爆炸会造成最恶劣的核辐射环境,对各种元器件及电子系统构成严重威胁。

它可以使处于破坏半径以内的地球卫星、战略轰炸机、舰艇、雷达和通信系统以及一切军事设施的电子系统受到核辐射和电磁脉冲的影响而遭破坏。

核辐射环境中的高能粒子主要有快中子流、高能电子流、γ射线、X射线、α射线和β射线等。

其中,α射线和β射线易被大气吸收,射程很短;对电子设备及其元器件威胁最大的是快中子(指能量大于0.5 MeV的中子)流和γ射线(能量在1 MeV左右)。

一个带有能量的光子或粒子(离子)与靶物质相互作用,以不同的方式损失能量,沉积的能量不仅取决于光子或粒子的质量和能量,也取决于靶材料的原子序数及质量。

每1 g物质沉积的能量称为剂量(D),单位为:拉德(rad)或戈瑞(Gy)表示,且有:
1 rad=100 erg/g=6.24×1013eV/g(1)
1 Gy=1 J/kg=100 rad(2)
一般对于硅及其氧化物分别用rad(Si)和表示,且。

2 电离总剂量效应产生机理
MOSFET及以其为主体的CMOS集成电路,由于其功耗低,集成度比双极电路的高,抗中子辐射能力最强等特点,已经成为数字集成电路的主流技术。

电离辐射会在半导体材料内产生电子空穴对,对于MOS器件,最关心的是氧化层中产生的电子空穴对。

在电场作用下,电子很快迁移出而空穴则一部分被中的深空穴陷阱俘获成为固定正电荷,一部分在界面形成界面态。

电离辐照产生正空间电荷和界面态,是CMOS器件电离辐射效应的主要机理[1]。

形成的正电荷和界面态会使器件性能下降,从而导致集成电路功能退化。

2.1 电子空穴对的产生
高能电子(包括次级电子)和光子能使原子电离,产生电子空穴对。

只要产生的电子和空穴的能量比生成一个电子空穴对所需的能量高,它们就可以产生额外的非热平衡电子空穴对。

如此,一个高能入射光子,电子或质子可以产生大量的电子空穴对。

表1给出和GaAs三种材料中产生一个电子空穴对所需的最小能量以及各材料中每沉积1 rad的能量时所产生的初始电荷对密度。

表和GaAs中产生一个电子空穴对所需的
最小能量及初始电荷对密度
材料密度/(g•cm--3)
GaAs～4.85.32~7×1013
Si3.62.3284×1013
2.2 氧化层正电荷
射线在MOS器件氧化物中的电离辐射损伤的物理过程可以归纳为以下四个过程:电子空穴对的产生;部分电子空穴的瞬时复合;电子空穴在氧化物中的传输;空穴被中的深陷阱俘获形成固定电荷,空穴在界面形成界面态。

氧化层俘获正电荷是由氧空位和E′中心俘获空穴而形成的[2,3]。

最近的研究已经确定了三种最主要的E′缺陷类型。

在电子俘获或发射过程中,由于中心原子硅原子的弛豫特性,这些缺陷的微结构看起来似乎在自由度方面有差异[3]。

缺陷结构是通过二维傅里叶变换(DFT)计算得到的,如图1所示。

而对这些结构的辨识是通过对大量的氧空位加入一个α石英超晶胞和四个不同类型的无定形超晶胞进行DFT计算获得。

中心是一个“调解”空位,在氧化物中对空穴会形成浅陷阱,大部分中心的能量位于能带隙,其能量位于价带以上0.5～1.0 eV。

由于的浅陷阱能级,使它成为最佳的缺陷类型,这也是造成电离辐射后空穴在传输的时间相关性的原因。

中心因此成为电离损伤动态传输过程中的一个突出因素。

第二类缺陷Eγ4′可以很容易地进行电荷交换,这类缺陷的能级大于4 eV,它的这种亚稳结构可以使其很容易俘获和发射电荷。

第三类空穴俘获缺陷Eγ5′比其他两种俘获中心要稳定得多,如同所有的中心,这类缺陷的能级大于3.5 eV,但是这种稳定结构使它与Si之间的电荷交换变得不是那么容易。

与和Eγ4′不同的是,Eγ5′更容易俘获氧化物中的固定电荷。

这些固定电荷对MOS器件最重要的影响是引起阈电压的负漂移,对N沟道MOSFET,这种漂移可以是过零电压,使CMOS器件一直处于通导,引起CMOS器件的漏电流增加;而对P沟道MOSFET,阈值电压向负电压方向漂移,到一定程度就会引起CMOS 器件截止。

图1 缺陷结构示意图
2.3 界面俘获
辐射引起的界面俘获受界面的硅悬挂键缺陷中心支配,最重要的这类俘获中心被称为中心,次要的被称为中心。

图2是和界面陷阱缺陷在硅(111),(110)和(100)方向的示意图。

导致产生氧化物俘获电荷的三类初始过程与形成的初始过程很相似,但是最终形成悬挂键却依赖于其他的几个反应。

最主要的反应是传输的空穴被含氢的缺陷俘获释放出H+,虽然说空穴与缺陷的直接反应可以产生界面俘获,但是实验上已经验证了在接近和超过室温温度时大部分的界面俘获是由质子产生的。

此外通过密度函数的计算也可以证实由空穴直接作用形成的界面俘获在很多情况下不是主要的。

因此中心的产生主要是依赖界面附近存在的H+。

质子的扩散或在电场作用下向电介质的漂移会使靠近界面Si一侧的氢钝化悬挂键(D)中的氢原子移出形成其反应方程式如下[5]:
辐射引入的界面态会改变沟道载流子的散射,从而会使沟道载流子迁移率下降,MOSFET的跨导降低,还会增大截至电流和亚阈值电流,增大噪声。

图2 硅(111),(110)和(100)方向
和界面陷阱缺陷示意图
3 先进半导体材料与器件
辐射对MOS器件的影响主要体现在电离辐射对栅介质的破坏作用。

因此栅介质材料和工艺改进是MOS器件辐射加固的重点。

随着CMOS工艺不断地按比例缩小栅介质层受到了越来越多的挑战,新兴的先进半导体材料与器件也随之大量涌现。

3.1 深亚微米MOS器件
现有研究结果表明,较薄的栅氧化层使器件抗总剂量性能变得更加良好。

这是因为到深亚微米阶段,已经很薄的栅氧化层中产生的界面陷阱和氧化层陷阱很少,这就使大尺寸器件中影响辐射总剂量效应的主要因素变得不再重要[6]。

同时深亚微米CMOS工艺中由辐射引起的阈电压漂移和跨导下降也减小了,主要是氧化层厚度减薄了,使得俘获空穴与来自栅/Si界面的电子的复合加快。

然而随着器件的按比例缩小,会产生一些辐射引入的新现象和新约束。

比如:为了保持沟道电流有可接受的控制能力,必须考虑一些短沟效应,如漏感应势垒降低(DIBL),栅感应漏电流(GIDL)[7]。

这时与隔离有关的场氧化层变成了主要因素,场氧化层中的陷阱电荷,特别是浅能级陷阱电荷中心就成为了深亚微米器件辐射效应的主要来源。

此外,深亚微米工艺采用了一些使栅介质遭受辐照并产生电学损伤的加工步骤,如等离子刻蚀、电子束、离子束及X射线曝光等。

它们在氧化物中可能产生直接或潜在的损伤,这些损伤是引入陷阱的原因。

3.2 高k栅介质
如今高k栅电介质已经成为了一种很重要的先进的材料技术,由于增加介电常数可以增加等效氧化物的厚度Teq。

因此选用高k栅电介质,可以降低由超薄栅材料直接隧穿引入的栅源漏电流,提高可靠性。

目前研究中的高k栅电介质材料很多,其中有些材料很有希望,如
它们的介电常数分别为8～11.5,22.2～28,26～30,25～
45。

具有非常好的稳定性和机械强度。

而且作为栅介质层,它又有很多优点,如它有很大的禁带宽度,在高温下的热稳定性相当好等。

但是的介电常数只有8～11.5。

而对VIB族的化合物研究最多的,也最有应用前景的是由于在热处理过程中,氧很容易通过扩散到和硅的界面与硅反应,所以栅极介质层和硅衬底之间往往有
一层二氧化硅[6]。

研究表明,界面层的厚度达到0.5 nm,而二氧化硅的存在会大大降低栅介质层的等效氧化层厚度Teq。

同时,由于氧化层很薄,很容易产生大的漏电流,从而破坏高介电常数层。

氮被普遍认为可以有效地减少界面态,抑制杂质扩散。

研究结果表明,用等离子方法引入氮能够得到更小的Teq、漏电流、更高的载流子迁移率,同时又能保证好的热稳定性和对硼扩散的抑制能力[7]。

界面态密度和固定电荷密度随着介质层介电常数的升高而减小,亦随着Teq的增大而减小。

虽然已经广泛地研究了大量的高k栅材料,然而目前尚无能够最终取代的电介质材料。

因为从制造的角度看,每隔两代或三代更换一种新的栅介质是不实际的,关键的问题是要找到一种能像这样有近50年历史的栅介质。

3.3 SOI工艺的辐射加固
SOI(Silicon On Insulator)技术是为了满足航天电子学、导弹武器系统控制和卫星系统研制需要而发展起来的一种新型硅材料,由于其独特优势,能突破体硅材料和器件按比例缩小时出现的限制,SOI被公认为“21世纪的微电子技术”。

采用这种材料制作的CMOS和双极电路,实现了全介质隔离,它与PN结隔离的体硅相比,具有无闭锁、高速、低功耗、高封装密度等优点,在抗单粒子特性、抗瞬态辐照和抗中子辐照等方面也有着体硅电路不可比拟的优势。

SOI材料的制备方法主要有注氧隔离技术(SIMOX)、智能剥离技术(Smart_Cut)、硅片键合与背面腐蚀技术(BESOI)、外延层转移技术(ELTRAN)、区溶再结晶技术、多孔氧化硅全隔离技术等,而其中SIMOX与Smart_cut是主流技术。

目前比较广泛使用且比较有发展前途的SOI 的材料主要有SIMOX材料、BESOI材料和Smart_Cut SOI材料[8]。

在这三种材料中,SIMOX 适合于制作薄膜全耗尽超大规模集成电路,BESOI材料适合于制作部分耗尽集成电路,而
Smart_Cut材料则是非常有发展前景的SOI材料,它很有可能成为今后SOI材料的主流。

与体硅材料的主要区别在于SOI材料的顶层硅下面存在一层绝缘埋层。

因此,当SOI器件受到电离辐射时,除了在前栅氧化层中产生空穴陷阱电荷以及在氧化层与硅界面上产生界面态电荷以外,在埋层(即背栅氧化层)中也会产生空穴陷阱电荷,并在埋层与硅界面上产生界面态电荷[9]。

这些辐射感生电荷不仅会使SOI MOSFET的背栅阈值电压产生漂移,而且可能导致器件泄漏电流增加,使器件难以关断。

关于SIMOX FDSOI(全耗尽SOI)工艺最新研究表明,在最差的配置条件下,当总剂量达到100 krad时前栅阈值电压漂移大约为360 mV[10]。

这种工艺的埋层氧化物厚度为330 nm,栅氧化层的厚度为15 nm。

图3所示为不同栅长SOI器件,当辐照总剂量达到100 krad和300 krad时测量得到的I_V曲线。

NMOS/SOI总剂量的效应会导致单个晶体管产生永久的闭锁效应。

图3 不同栅长SIMOX FDSOI工艺,辐照总剂量为100 krad和300 krad时的I_V曲线
4 结语
从已有的数据分析可以得出,未来电子设备的总剂量效应仍然是存在的。

对采用新工艺、新材料制备的电子器件,系统的测试和分析还是必要的,尤其是按比例缩小,对栅氧化层的加固,SOI,深亚微米CMOS器件能否通过辐射测试对未来电子学发展至关重要。

参考文献
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