注F+NMOSFET的电离辐照与退火特性

第27卷 第8期 核 技 术 V ol. 27, No.8 2004年8月 NUCLEAR TECHNIQUES August 2004

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第一作者：崔帅，男，1978年出生，2001年毕业于河北大学，从事电子器件可靠性方面研究 收稿日期：2003-10-16，修回日期：2004-04-26

注F +

NMOSFET 的电离辐照与退火特性

崔 帅 余学峰 任迪远 张华林

（新疆理化技术研究所 乌鲁木齐 830011）

摘要 比较了CC4007 电路栅介质中注F ＋和未注F ＋

的NMOS 晶体管在不同偏置辐照和不同环境退火的行为，结果表明，栅介质中F ＋

的引入能明显降低器件的辐照敏感性，提高器件的可靠性能。表现为在同样辐照偏置下注F ＋

器件比未注F ＋器件的阈电压漂移小，辐照后退火期间的界面态、氧化物电荷变化稳定。 关键词 辐照，注F ＋

，NMOS ，阈电压，退火，可靠性 中图分类号 TN 304

随着空间技术和核技术的发展，愈来愈多的MOS 电路应用到空间环境中。大量的研究表明，空间辐射会在MOS 器件内积累大量的氧化物电荷和界面态陷阱，造成阈电压、漏电流、电导率、迁移率、驱动速度等参数退化，甚至造成器件功能失效。

多年来人们一直寻求抑制电离辐射的方法，上个世纪80—90年代，人们发现由于Si －F 键键能比

Si －H 键键能大得多，向Si/SiO 2栅介质中注入F ＋

可以明显抑制器件的辐射敏感性，并寻找出抑制电

离辐射的最佳注F ＋

剂量以及氧化物电荷、

界面态的抑制模型[1, 2]。国内也在注F ＋

抑制电离辐射方面进

行了一系列的研究[3—

7]。

尽管国内外的研究表明注F ＋

器件有着较好的

抗辐射特性，但是注F ＋

器件还没有应用到空间环境

中，主要原因是F ＋

在器件中的作用机制和可靠性方面有待进一步深入研究。本文从国产CC4007器件

着手，通过研究其中注F ＋和未注 F ＋

NMOS 的不

同偏置辐照和退火特性，进一步探讨了注F ＋

器件的可靠性问题。 1 实验条件

实验采用国产Si 栅CC4007器件，该器件由两对PMOS 、NMOS 和一个CMOS 反相器构成，分别制作在3—6 ??cm 的N(100)Si 衬底上，850 ℃

H 2+O 2栅合成氧化，栅氧化层厚度50 nm 。注F ＋

工艺是在淀积500 nm 的多晶硅层后注入能量为30

keV 的F ＋，F ＋

注入后在900 ℃ N 2气氛中退火30

min ，注F ＋剂量为１×1016 cm －

2。N 沟的宽长比为6∶5。

辐照实验采用新疆理化技术研究所的60Co 辐照源。剂量率为1.13 Gy/s(Si)，辐照累计剂量是104

Gy(Si)，根据实际使用状态，在辐照过程中，CC4007器件中NMOS 采用两种不同偏置，漏源之间分别加＋10 V 和0 V 偏压，其中＋10 V 偏压使器件处于美军标规定的最劣偏置状态。退火采用室温25 ℃和100 ℃两种温度。

样品的I －V 亚阈特性测试采用V ds ＝＋0.1 V 下

测I ds －V gs 关系而得到。

阈电压采用恒流灌注法（灌注I ds ＝10 μA 时所对应的V gs 即为阈电压）

而得到。然后采用亚阈分离技术[8]将阈值电压的变化?V t 分离成由氧化物陷阱电荷引起的变化?V ot 和由界面态陷阱引起的变化?V it ，即?V t = ?V ot + ?V it 。

按照美军标MIL －M －38510要求，每次移位测量时间控制在20 min 之内。 2 实验结果 2.1

辐照的影响

图1—3分别为剂量率为1.13 Gy/s(Si)的未注 F ＋和注F ＋

NMOS 在不同偏置下阈电压?V t 漂移以及根据亚阈分离技术得到的由氧化物电荷和界面态陷阱引起的阈电压漂移随辐照总剂量的变化关系。

从图1可以看出，无论是注F ＋

器件还是未注 F ＋

器件的阈电压漂移在辐照剂量达到100 Gy (Si)之前几乎没有变化，在累积剂量超过100 Gy (Si)后，阈电压漂移?V t 的绝对值随辐射剂量的增加而增大；并且栅偏压为10 V 的远大于栅偏压为0 V 的阈

电压漂移。所不同的是未注F ＋

器件随辐照剂量的增

长而正向漂移，注F ＋

器件随辐照剂量的增长而负向

漂移。但注F ＋

NMOS 在累积剂量达到104 Gy (Si)时漂移幅度分别为0.6 V 、1.8 V,远低于同样累积辐射剂量下相应偏置未注氟加固样品的阈电压漂移量

万方数据