形成了辐射潜在损伤-Indico课件

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,XJIPC,中国科学院,新疆理化技术研究所,XINJIANG TECHNICAL INSTITUTE OF PHYSICS AND CHEMISTRY,CAS,*,首届全国辐射探测微电子学术年会,NME2017,重离子辐照对深亚微米,MOS,器件栅介质可靠性影响的研究,1,马腾,2017,年,10,月,13,日,北京,高能所,中国科学院 新疆理化技术研究所,汇报提纲,研究背景与意义,实验简介,实验结果,机理分析,总结,2,随着科学技术的发展，微电子器件在航空,航天、军事、能源领域广泛应用,研究背景与意义,3,高性能，低功耗的微纳米器件在该领域的应用受到广泛关注,芯片工艺发展趋势高集成度、高可靠性,器件内部电场随着特征尺寸的变化趋势,内部电场增强导致各类物理效应凸显,有效途径,新结构（如,LDD,）新材料（如,H-K,）,一、研究背景及意义,研究背景与意义,4,一、研究背景及意义,研究背景与意义,深空辐射环境下的器件失效模式与失效率示意图,5,(1),原因一：,随着特征尺寸的缩小，内部电场增强,(2)原因二,：,辐照导致氧化层损伤,1.,热载流子注入,2.,栅介质软击穿,3.,介质经时击穿效应,4.7 MV/cm,5,MV/cm,纳米器件,栅介质受到,辐射损伤,和,介质经时击穿效应,共同影响。栅介质的可靠性成为,威胁器件寿命的重要因素,因此，对辐射环境下栅介质的可靠性研究变得尤为重要。,研究背景与意义,6,样品描述：,0.13um PD SOI MIS,电容，面积为,45*100um,2,，四种不同的样品分别代表电路设计中四种不同的分立器件。,器件类型,栅氧厚度,宽长比（,W/L）,辐照偏置,总注量,1.2VN+Pwell,约,2nm,45/100（um）,零偏,10,7,/cm,2,3.3VN+Pwell,约,6.8nm,45/100（um）,零偏,/,加偏,10,7,/cm,2,1.2VP+Nwell,约,2nm,45/100（um）,零偏,10,7,/cm,2,3.3VP+Nwell,约,6.8nm,45/100（um）,零偏,10,7,/cm,2,实验简介,7,辐照前后,3.3N,型器件栅氧电流的变化,辐照前后,1.2N,型器件栅氧电流的变化,浮空偏置的重离子试验中，我们没有观测到明显的漏电而只是略有上升。,栅极泄露电流,实验结果,8,辐照前与不同总剂量辐照下的栅氧层漏电图与能带解释,这种偏置情况下的漏电来源不是由于栅氧层结构改变而是由于电离能损带来的,MIS,结构能带的变化。,栅氧泄露电流的主要来源是,FN,隧穿电流，该电流大小强烈依赖于能带的弯曲程度,实验结果,9,辐照与退火前后器件的栅极泄露电路变化趋势图（,a,）,3.3N,型（,b,）,3.3P,型,经过,100,高温退火，器件的栅极泄露电流几乎恢复到了辐照前的初始值，这说明这种潜在的损伤是可以退火的。,实验结果,10,氧化物陷阱电荷只能改变栅氧层电子势垒，而决定栅氧寿命的关键在于重离子在栅氧层中造成的氧化层结构缺陷，在,100,退火温度下，这些结构缺陷不能被退火，从而器件的,TDDB,寿命没有,变化,实验结果,11,对高栅压偏置的器件漏电曲线进行拟合，得到了栅电流与栅压的关系：,IG=1.02VG,6.10,，与,QPC,模型符合的很好，意味着在高栅压下，重离子辐照导致器件栅极泄露电流随着栅压尖锐的爬升，栅氧层被重离子轰击后已经软击穿,。,实验结果,12,TDDB,试验栅电流与应力时间示意图若,Imeasure,10Xiuse,，认为器件已经击穿。,辐照造成的栅氧寿命减少与辐照偏置相关，很明显，在较高栅压偏置下的辐照器件寿命退化多，偏置电压越高，寿命减小越多。,实验结果,13,简化,的,损伤模型,把正常的栅氧层,N,等分，蓝色代表理想中的栅氧层，红色代表存在缺陷的栅氧层,正常的栅氧化层（把栅氧,N,等分分层化）,存在导电通道的,击穿栅氧化层,I,Gate,正常,SiO,2,带缺陷的,SiO,2,缺陷积累形成了漏电路径,存在缺陷，但不漏电,栅氧层结构缺陷的产生“元凶”：重离子的类位移效应,机理分析,14,重离子辐照,重离子辐照破坏了,SiO,2,的短程有序,。,TDDB,应力,重离子导致,重离子导致,TDDB,导致,重离子导致,缺陷更容易链接阳极与阴极导致击穿,机理分析,15,栅压偏置辐照下的器件剖面图与两种可能的栅氧损伤机理,在栅压偏置下，耗尽层的强电场收集,SEE,效应电离的载流子，这些载流子在电场的作用下被加速从而向栅极发射造成二次损伤。,机理分析,16,栅偏辐照器件的能带示意图：当辐照导致的缺陷密度增高时，独立的能力可以联合起来形成准连续的能带，这种情况下会出现辐照导致的软击穿现象。,机理分析,17,总结,电离损伤导致的微剂量率效应改变了栅氧的能带结构，使得,RILC,上升,，这部分,电荷缺陷不影响器件的,TDDB,寿命,，,位移效应,造成的器件栅氧层结构改变大大,降低了栅氧层质量,，形成了辐射潜在损伤。,退火,试验仅可以,减小,RILC,，但,不能消除,重离子造成的,永久性损伤,，甚至由于高温的作用，加速了栅氧层的老化。,关态下的器件，重离子造成的潜在损伤来源于,类位移损伤,，破坏了二氧化硅的,网状结构,。,处于工作状态下的器件由于沟道下耗尽层对重离子电离的载流子的收集，,热电子向栅极发射,，将产生,对栅氧层的二次损伤,，这是关态下不存在的损伤模式。,18,请各,位老师批,评指正,感谢观看,！,