【doc】偏置条件对NMOS器件X射线总剂量效应的影响

【doc】偏置条件对NMOS器件X射线总剂量效应的影响 偏置条件对NMOS器件X射线总剂量效应 的影响 第38卷第2期 2008年4月 微电子学 croelectronics VoL38.No.2 Apr.2008 偏置条件对NMOS器件X射线总剂量效应的影响 何玉娟,恩云飞,师谦,罗宏伟,章晓文,李斌.,刘远. (1.电子元器件可靠性物理及其应用技术国家级重点实验室,广州510610; 2.华南理工大学微电子研究所,广州510640) 摘要:采用lOkeVX射线,对NMOSFET在不同偏置条件下进行总剂量辐射,了 辐照前后 辐射感生的氧化物陷阱电荷与界面态电荷对MOS器件阈值电压的影响以及辐射 导致漏电现象.实 验结果表明,对于NMOSFET,On偏置条件是最劣偏置条4~-,Off偏置条件是最优 偏置条件. 关键词:X射线;总剂量辐射效应;辐射偏置;中带电压法 中图分类号:TN306文献标识码:A文章编号:1O04—3365(2008)02—0166—04 InfluenceofBiasonX-RayTotalDoseEffectinNMOSFET'S HEYujuan,ENYunfei,SHIQian,LUOHongwei,ZHANGXiaIDwen,LIBinz,LIUYuan. (1.ChinaElectronicProductReliabilityandEnvironmentalTestingResearchInstitute,Rese archandAnalysisCenter,Guangzhou, 510610,P.R.Chira2;2.InstituteofMicroelectronics,SouthChinaUniversityofTechnology, Guangzhou,510640,P.R.China) Abstract:TOtaldoseradiationtestswereperformedonNMOSFET'Susinga10keVX-rayso urceatdifferent biasvoltages.Effectsofradiation-inducedoxide-trapsandinter{acechargesonthethreshold voltageof NMOSFET'Sandradiation-inducedleakagecurrentswereanalyzed.Ithasbeendemonstrat edthattheworstirradia— tionbiasconditioniSOnbiasandthebestirradiationbiasconditionis0ffbias Keywords:X-ray;Total-doseirradiationeffect;Radiationbias;Midgapseparationmethod EEACC:2550R 引言 X射线辐射源是两种用于实验室加速实验辐照 的主要辐射源之一,另一种是.Co辐射源.X射 线源具有操作方便,安全性高,剂量准确等优点,便 于对硅片级芯片进行辐射加速实验[1]. X射线辐射在MOS器件的Si02中,以及Si— Si02界面辐射感生的氧化物陷阱电荷和界面陷阱 电荷,是造成MOS器件在电离辐射环境中性能退 化的主要原因.这两种辐射感生电荷的多少与辐射 时所加的偏置条件,辐射剂量,剂量率等因素有关. 而辐射时所加的偏置电压是影响器件辐射效应的主 要因素,这主要是由于辐射时电荷的产率,传输以及 俘获都与辐射偏置有关E4].本文着重研究NMOS 器件在阈值电压漂移与泄漏电流随辐射总剂量与辐 射偏置的变化关系,并用中带电压法进行辐射感生 电荷的分离;分析了辐射感生氧化物陷阱电荷和辐 射感生界面陷阱电筒在辐射前后的变化情况,以及 其与辐射偏置的关系.通过对MOSFET在不同辐 射偏置条件下的总剂量电离辐射效应规律的研究, 揭示MOSFET的总剂量电离辐射效应随辐射偏置 的变化关系,为进一步研究和改进MOS器件与电 路的总剂量电离辐射实验方法提供了依据. 2中带电压法 中带电压法是最常用的分离氧化物陷阱电荷和 界面态电荷的方法.,由Winokur和McWhorter[]等 人提出.该方法利用了界面态在禁带中心点上呈电 中性的原理. 根据MOSFET的特性曲线,源漏电流有 : ()象(1--e-~ (1) 收稿日期:2007—08—08;定稿日期:2007—10—11 基金项目:国家重点实验室基金资助项目(9140C030604070C0304);国家重点实验 室基金资助项目(9140C030601060C0302) 第2期何玉娟等:偏置条件对NMOS器件X射线总剂量效应的影响167 式中,一q/kT,W/L为MOSFET的宽长比, ND为沟道掺杂浓度,为Si的本征载流子浓度, Cox为单位面积的栅电容,为Si表面势,和 分别代表漏源电流和电压,为常数,与氧化层厚度 及介电常数有关,为载流子迁移率. 当一一(T/q)Ln(ND/N),即费米能级处 在禁带中心点处时,其半带电流值为k.然而,半 带电流值非常小(10A).这样,半带电压值 只能通过延长卜亚阈值曲线,从中找到相应的电 压点.辐射前后的半带电压值之差就是氧化物陷阱 电荷引起的电位差?,而反型点电流即一2 时的电流电压值,可以从曲线上找到相应的点,半带 到反型之间界面态的增长可以从(2),(3)式求得: ?一?,一C×?/q(2) r,r, AN一I?I一I?一?I(3) q 式中,?和?分别表示辐射前后由氧化物 陷阱电荷和界面态电荷引起的电位差,?表示辐 射前后的阈值电压差,?和?分别表示辐射前 后的氧化物陷阱电荷密度和界面态电荷密度差. 中带电压法的优点是使用方便,是目前国内使 用最多的分离界面态和空穴陷阱电荷的方法.但 是,低温下的电荷横向分布的不均匀性[6]和高速时 的低电流测试误差I7]都会使亚阈曲线的斜率产生变 化,从而使电荷分离出现较大误差. 3实验样品与条件 实验样品为华晶1m工艺体硅MOS器件,样 品的类型有:条栅NMOS器件,栅氧层厚度为2O nm,宽长比为W:L一50:1.2. 辐射实验是在电子元器件可靠性物理及其应用 技术国家级重点实验室的ACOROR4100型1O keVX射线源上进行的.此次实验的辐射剂量率为 1×10.Gy(Si)/min,累积总剂量达1×10Gy(Si). 辐射偏置情况如表1所示.其中为栅极上所加 表1NMOSFET在X射线辐射中所加的偏置条件 Table1BiasconditionsforX-RayradiationofNMOSFET'S 偏置条件(Biases)NMOSF 开态偏置(OnBias)一5V,一=V一0 关态偏置(OffBias)Vo=5V,Vs==V一O 传输门态偏置(PGBias)一一5V,=V一O 零偏置(ZeroBias)一一一一D ,,,空载无偏置(N oneBias) ,,,withnobias 电压,为源极上所加电压,为漏极上所加电 压,为衬底上所加电压. MOS器件的参数测量是在半导体器件参数精 密测量仪HP4155A上完成的.在辐照到一定总剂 量后,对辐照MOS:器件进行移位测试,且每次测试 都是在辐射完成后20rain内进行的. 4实验结果与分析 4.1阈值电压漂移 图1(a)是不同偏置条件下NMOSFET阈值电 压的漂移量随辐射剂量变化的关系,图1(b)是利用 中带电压分离技术将辐射引起的阈值电压漂移量分 离成氧化物陷阱电荷和界面陷阱电荷的贡献的结 果.从图1中可以观测到:在On偏置条件下, NMOSFET辐射后阈值电压的漂移量(f?)最 大;在Off偏置条件下,阈值电压的漂移量最小.在 整个辐射过程中,阈值电压的漂移量随辐射剂量的 增加而增加.表2列出辐射剂量为1×10Gy(Si) 时各种辐射偏置下NMOSFET阈值电压的漂移量. 从表中可以看出,NMOSFET器件在X射线辐射 下,On偏置条件下阈值电压漂移量最大,而Off偏 置条件下阈值电压漂移量最小,PG,Zero和None 偏置条件下的阈值电压漂移量相差不大.且从图1 (a)中可以观察到,在辐射总剂量不大(?2×1O. Gy(si))时,On偏置条件下阈值电压的漂移量与其 余偏置条件下阈值电压漂移量相差不大,而在辐射 总剂量较大(>2×10.Gy(Si))时,On偏置条件下 阈值电压漂移量急速增大,而其余偏置条件下,阈值 电压漂移量的增加比较缓慢. a)? 168何玉娟等:偏置条件对NMOS器件X射线总剂量效应的影响 b)AVe&? 图1各种辐射偏置下NMOSFET阈值电压随 辐射总剂量的变化 Fig.1ThresholdvoltageshiftsinNMOSFET'Satstatic biasesasafunctionoftotaldoses 表2辐射剂量为1x10Cy(Si)时各种辐射偏置下 NMOSFET阈值电压漂移量 Table2ThresholdvoltageshiftsofNMOSFETin1×10 Cy(Si)totaldoseatdifferentbiasconditions 偏置条件h{| 开态偏置(OnBias)一1.16<一1.5>O.5 关态偏置(OffBias)一0.409—0.4940.085 传输门态偏置(PGBias:——0.487一O.5130.026 零偏置(ZeroBias)一0.478——0.4950.017 无偏置(NoneBias)——0.505——0.5410.036 从图l(b)可以发现,氧化物陷阱电荷引起的阈 值电压漂移(?)量为负值,界面陷阱电荷引起的 阈值电压漂移(?)量为正值,且?的绝对值远 大于?.在On偏置条件下,?和?都较大, ?<一1.5V,?>0.5V,比其余偏置条件下的 氧化物陷阱电荷与界面陷阱电荷引起的阈值电压漂 移量都大得多;而Off偏置条件下,?比其余偏置 条件下都小;但是,?为0.085V,比PG,Zero和 None偏置条件下平均高0.03V,比On偏置条件下 的?要小得多. 根据上面的分析,可以得出如下结论: (1)从阈值电压漂移来看,On偏置条件为 NMOSFET器件X射线源辐射的最劣偏置,Off偏 置条件为最优偏置.其原因可能是:在On偏置条 件下,NMOS器件栅氧化层中的空穴受电场吸引移 动到靠近Si-SiO界面的栅氧层中,而在此界面处 的空穴陷阱比栅电极处的空穴陷阱对电压的漂移有 着更大的作用.在其他偏置条件下,在Si—SiOz界 面附近栅氧化层中的空穴陷阱较少,阈值电压的漂 移量自然较小.同时,栅氧化层周围的场氧层在x 射线辐射中同样会产生空穴陷阱,此空穴陷阱对 NMOSFET器件的沟道也有作用,使On偏置条件 下的阈值电压漂移量远大于其余偏置隋况. (2)此次实验的NMOSFET样品在X射线辐 射中产生的界面陷阱电荷极少(On偏置条件情况除 外),原因可能有以下两点: ?试验选用的辐照剂量率较大(1×10Gy (Si)/rain).这是因为在不少偏置条件下,MOS器 件只有在较高辐照总剂量下,辐射效应才比较明显, 这样才便于提取参数,辐射总剂量由辐射剂量率和 辐射时间决定.为节省仪器的使用寿命,只能减少 辐射时间,增大辐照的剂量率.在较大剂量率下,达 到相同辐照总剂量的时间较短,器件辐照时,两种陷 阱电荷生成与复合的效应是同时存在的;而界面陷 阱电荷在室温下退火会增加其数量的特性,使短时 间大剂量率辐照下产生较少的界面陷阱电荷. ?试验选用的芯片是l/zm工艺的MOS晶体 管,而阈值电压的漂移量与栅氧化层厚度的平方成 正比.通过MOS:器件的公式,可以简单推算出: 第2期何玉娟等:偏置条件对NMOS器件X射线总剂量效应的影响169 大,主要是因为栅氧化层中与Si-SiO2界面的辐射 感生氧化物陷阱电荷和辐射感生界面陷阱电荷使得 MOS器件在栅压为0,甚至为负栅压时,也会存在 较大的泄漏电流,且其上升趋势与辐射偏置有很大 的关系.在On偏置条件下,在辐射前至辐射总剂 量2×10.Gy(Si)间,泄漏电流的变化很小,在1× 1O叫A至2.5×1OA之间波动;在辐射总剂量 为2×10.Gy(Si)至1×10Gy(Si)之间时,泄漏电 流呈指数上升,从2.5×1OA暴增到2.9×1O A,上升了6个数量级.在Off偏置条件下,辐射前 为1×1O.A,而辐射到总剂量为1×10Gy(si) 时,泄漏电流上升到1×1O1A,上升了2个数量 级.在其余偏置条件下,泄漏电流也上升了1,2个 数量级,与Off偏置的情况相差不大. 图2各种辐射偏置下NM0s器件泄漏电流与辐射 总剂量的关系曲线 Fig.2LeakagecurrentinNMOSFETatstaticbiases asa{unctionoftotaldoses On偏置条件下,在较大辐射总剂量下泄漏电流 迅速增大的原因可能有以下两点:1)在辐射总剂量 较大的情况下,栅氧化层与Si_SiOz界面处的辐射 感生氧化物陷阱电荷和辐射感生界面陷阱电荷较 多,由于辐射感生陷阱电荷的影响,使NMOS器件 沟道在截止状态下也存在较大电流;2)场氧化层中 的辐射感生氧化物陷阱电荷和辐射感生界面陷阱电 荷导致漏源之间以及相邻晶体管之间的泄漏电流. 随着器件尺寸的缩小,辐射对阈值电压的影响 越来越小,而辐射导致的场氧区漏电则成为辐射导 致器件失效的主要原因.除了栅氧化层会在辐射能 量的作用下产生辐射感生氧化物陷阱电荷和辐射感 生界面陷阱电荷以外,场氧化层内同样也受到辐射 影响,产生辐射感生氧化物陷阱电荷和辐射感生界 面陷阱电荷.当器件尺寸较大时,场氧化层较厚,辐 射感生电子一空穴对中的空穴在氧化层内漂移的时 间较长,因为被Si—SiO.界面附近的氧化物陷阱所 俘获的较少;而随着器件尺寸的减小,场氧化层也由 于等比例缩小原则而变薄,因此,辐射感生的陷阱电 荷也较多.在辐射感生电荷的作用下,单个器件在 漏一源之间的场氧化层下形成了导电通道,如图3所 示;在多个MOS器件之间起隔离作用的场氧化层 下形成导电通道,从而使相邻器件之间存在辐射感 生泄漏电流,如图4所示. 漏l极 ——I.场氧 薄栅氧化层源.极\干/栅极 泄漏电流通道 —— /,一 ,:— 虬荷' f一——. 栅氧化层' 场 l 氧 图3MOS管场氧区辐射感生漏电示意图 Rg3RadiationindumJleakagecurrentinfieldoxideinM0 SlGlDlD2G2S2 泄漏电流通道 图4相邻多管之间寄生MOS辐射感生漏电示意图 Fig.4Radiationinducedleakagecurrentbetween nearbyMOSFETs 5结论 采用10keVX射线辐射源,对NMOSFET器 件在不同偏置条件下的辐射效应进行了系统全面的 研究.结果表明,NMOS器件X射线辐射的最劣偏 置条件为On偏置,最优偏置条件为Off偏置;其辐 射感生泄漏电流也随着辐射总剂量的增加而增大, (下转第173页) 第2期戴澜等:流水线A[X2的一种数字校准算法与实现结构173 O.5 O . O.S outputcode (c)校准前的1NL (c)INLbeforecalibration Ol0O020003000 outputcode (d)校准后的INL (d)INLaftercalibration 图5校准前后INL和DNL的变化 Fig.5INLandDNLbeforeandaftercalibration 在实现中,校准电路只需要移位器,选择 器,加法器,以及一些必要的寄存器.这些都是纯粹 的数字电路,因此:具有很好的可实现性与可靠性,不 , 失为一种很好的实现. 参考文献: r1]KARANIC0LtA,LEEH,BACRANIAK.A15"b 1-Msample/sdigitallyself-calibratedpipelineADC EJ].IEEEJSO1StaCirc,1993,28(12):1207—1215. E2]LEEH.SONGB-S.Digital-domaincalibrationof multistepanalog-to-digitalconverter[J].IEEEJSol StaCirc,1992,27(12):1679—1688. E3]SHUTH,SONGB-S.BACRANIAK.A13一b10一 Msample/sAIN2digitallycalibratedwithoversampling delta-sigmaconverter[J].IEEEJSolStaCirc,1995, 30(4):443—452',. [4]MOONU-K,SONGB-S.Backgrounddigitalcalibra— tiontechniquesforpipelinedADc'S[J].IEEETrans CircandSystII,1997,44(2):102—109. [5]A】MAD-I,DONALDMContinuousdigitalcalibra— tionofpipelinedA/Dconverters[C]//Instrumenta— tionandMeasurementTechnologyConf.Canada. 2005:2—6. 作者简介:戴澜(1975一),男,湖南人, 博士研究生,主要研究方向为混合集成电 路设计. 乔不不不绵绵尔不矫.譬.;!绵 (上接第169页) 在On偏置条件下,泄漏电流在辐射到比较高的总 剂量后成指数增长,这是由于在场氧层下存在漏电 通道;在其余偏置条件下,泄漏电流变化较小. 参考文献: [1]郭红霞,陈雨生,周辉,等.1OkeVx射线在"加速实 验"辐照中的优势[J].微电子学.2002,32(4):269— 272. [2]李若瑜,李斌,罗宏伟,等.10keVX射线空间辐照 总剂量试验可行性研究[J].核电子学与探测技术. 2005,25(3):291—295. [3]何玉娟,师谦,李斌,等.SOIM0sFET器件X射线 总剂量效应研究[J].半导体技术,2006,31(5): 357—360. E4]IVIATP,DREsSEND0RFERPV.Ionizingradiation effectsinMOSdevicesandcircuitsrM].NewYork: AWiley-IntersciencePublication,1989:262—269. [5]MCWHORTERPJ,wNOKIPSSimpletechnique forseparatingtheeffectsofinterfacetrapsandtrapped-ox- idechargeinmetal-oxide-semiconductortransistors[刀. ApplPhysLett,1986,48(2):133—135. r6]SAKSNS,ANO0NAM(Generationofinterface statesbyionizingradiationat8Okmeasuredbycharge pttrnpingandsubthresholdslopetechniques[刀.IEEE TransNuc1Sci1987,34(6):1348—1854. r7]FIETWOODDM,SHANEYFELTMR,SCHWA- NKJR,eta1.Theoryandapplicationofdual-tran- sistorchargeseparationanalysis[J].IEEETransNucl Sci.1989.36(6):1816-1824. 作者简介:何玉娟(1981一).女(汉族),江 西人,助理工程师,2006年6月于华南理 工大学微电子专业获硕士学位,现在信息 产业部电子五所进行器件与电路的X射 线总剂量辐射研究. 暑嚣姑JqIl8o』00Z.【I10礴=《00j?Z