形成了辐射潜在损伤-Indico.ppt

XJIPC 中国科学院中国科学院新疆理化技术研究所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首届全国辐射探测微电子学术年会 NME2017NME2017 重离子辐照对深亚微米重离子辐照对深亚微米MOSMOS器件器件栅介质可靠性影响的研究栅介质可靠性影响的研究 1 马腾马腾 2017年年10月月13日日,北京北京 高能所高能所 中国科学院中国科学院 新疆理化技术研究所新疆理化技术研究所 XJIPC 中国科学院中国科学院新疆理化技术研究所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首届全国辐射探测微电子学术年会 NME2017NME2017 汇报提纲汇报提纲 研究背景与意义研究背景与意义 实验简介实验简介 实验结果实验结果 机理分析机理分析 总结总结 2 XJIPC 中国科学院中国科学院新疆理化技术研究所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首届全国辐射探测微电子学术年会 NME2017NME2017 随着科学技术的发展，微电子器件在航随着科学技术的发展，微电子器件在航空空航天、军事、能源领域广泛应用航天、军事、能源领域广泛应用 研究背景与意义研究背景与意义 3 高性能，低功耗高性能，低功耗的微纳米器件在的微纳米器件在该领域的应用受该领域的应用受到广泛关注到广泛关注 XJIPC 中国科学院中国科学院新疆理化技术研究所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首届全国辐射探测微电子学术年会 NME2017NME2017 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内部电场增强导致各类物理效应凸显 新结构（如LDD）新材料（如H-K）一、研究背景及意义一、研究背景及意义 研究背景与意义研究背景与意义 4 XJIPC 中国科学院中国科学院新疆理化技术研究所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首届全国辐射探测微电子学术年会 NME2017NME2017 一、研究背景及意义一、研究背景及意义 研究背景与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深空辐射环境下的器件失效模式与失效率示意图 5 XJIPC 中国科学院中国科学院新疆理化技术研究所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首届全国辐射探测微电子学术年会 NME2017NME2017 (1)原因一：原因一：随着特征尺寸的缩小，内部电场增强随着特征尺寸的缩小，内部电场增强(2)原因二原因二：辐照导致氧化层损伤辐照导致氧化层损伤 1.热载流子注入热载流子注入 2.栅介质软击穿栅介质软击穿 3.介质经时击穿效应介质经时击穿效应 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。因此，对辐射环境下栅介质的可靠性研究变得尤为重要。研究背景与意义研究背景与意义 6 XJIPC 中国科学院中国科学院新疆理化技术研究所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首届全国辐射探测微电子学术年会 NME2017NME2017 样品描述：样品描述：0.13um PD SOI MIS0.13um PD SOI MIS电容，面积为电容，面积为45*100um45*100um2 2，四种，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。不同的样品分别代表电路设计中四种不同的分立器件。器件类型器件类型 栅氧厚度栅氧厚度 宽长比（宽长比（W/LW/L）辐照偏置辐照偏置 总注总注量量 1.2VN+Pwell 约2nm 45/100（um）零偏 107/cm2 3.3VN+Pwell 约6.8nm 45/100（um）零偏/加偏 107/cm2 1.2VP+Nwell 约2nm 45/100（um）零偏 107/cm2 3.3VP+Nwell 约6.8nm 45/100（um）零偏 107/cm2 实验简介实验简介 7 XJIPC 中国科学院中国科学院新疆理化技术研究所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首届全国辐射探测微电子学术年会 NME2017NME2017 0123451.0 x10-122.0 x10-123.0 x10-124.0 x10-125.0 x10-126.0 x10-127.0 x10-12 IG/AVGS/V 辐照前 辐照后Ileakage辐照前后3.3N型器件栅氧电流的变化 0.00.51.01.52.02.5-5.0 x10-110.05.0 x10-111.0 x10-101.5x10-102.0 x10-102.5x10-103.0 x10-103.5x10-10 IG/AVG/V 辐照前 辐照后辐照前后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我们没有观测到明显的漏电而只是略有上升是略有上升。栅极泄露电流 实验结果实验结果 8 XJIPC 中国科学院中国科学院新疆理化技术研究所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首届全国辐射探测微电子学术年会 NME2017NME2017 0500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 45002.0 x10-54.0 x10-56.0 x10-58.0 x10-51.0 x10-41.2x10-41.4x10-41.6x10-41.8x10-42.0 x10-4 IGDose/Gy IG,leakageSiOSiO2 2SiSiPoly gatePoly gate辐射导致势垒降低栅压导致势垒降低价带导带辐照前辐照后辐照前的能带辐照后的能带+辐照诱生Qot 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离能损带来的MISMIS结构能带的变化结构能带的变化。栅氧泄露电流的主要来源是栅氧泄露电流的主要来源是FNFN隧穿电流，该电流大小强烈依赖于能带的弯曲程度隧穿电流，该电流大小强烈依赖于能带的弯曲程度 实验结果实验结果 9 XJIPC 中国科学院中国科学院新疆理化技术研究所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首届全国辐射探测微电子学术年会 NME2017NME2017 初值初值辐照后辐照后退火后退火后2.342.362.382.402.422.442.462.48 Ileakage/pA初值初值辐照后辐照后退火后退火后234 Ileakage/pA 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 经过经过100100高温退火高温退火，器件的栅极泄露电流几乎恢复到了辐照前器件的栅极泄露电流几乎恢复到了辐照前的初始值的初始值，这说明这种潜在的损伤是可以退火的这说明这种潜在的损伤是可以退火的。实验结果实验结果 10 XJIPC 中国科学院中国科学院新疆理化技术研究所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首届全国辐射探测微电子学术年会 NME2017NME2017 -1250125250375500625750875 100010-1210-1110-1010-910-810-710-610-510-410-310-210-1QBD，irradiatedQBD，un-irradiated IG/At/s辐照后退火处理辐照后未辐照击穿050100 150 200 250 300 350 400 450 50010-1610-1510-1410-1310-1210-1110-1010-910-810-710-610-510-4QBD，irradiatedQBD，un-irradiated IG/At/s辐照后辐照后退火处理未辐照氧化物陷阱电荷只能改变栅氧层电子势垒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于重离子在栅氧层中造成的氧化层结构缺陷，在在100100退火温度下退火温度下，这些结构缺陷不能被退火这些结构缺陷不能被退火，从而器件的从而器件的TDDBTDDB寿命没有寿命没有变化变化 实验结果实验结果 11 XJIPC 中国科学院中国科学院新疆理化技术研究所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首届全国辐射探测微电子学术年会 NME2017NME2017 0240.0200.0p IG/AVG/V irradiatedVG=3.3V irradiatedVG=0V irradiatedVG=4V Exponential fitting of irradiatedVG=4VModelAllometric1Equationy=a*xbReduced Chi-Sqr1.24924E-23Adj.R-Square0.99432ValueStandard ErrorDa1.02322E-141.89386E-15Db6.101450.11979RILCVG=4V对高栅压偏置的器件漏电曲线进行拟合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：得到了栅电流与栅压的关系：IG=IG=1 1.0202VGVG6 6.1010，与与QPCQPC模型符合的很好模型符合的很好，意味着在高栅压下意味着在高栅压下，重离子辐照导致重离子辐照导致器件栅极泄露电流随着栅压尖锐的爬升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栅氧层被重离子轰击后已经软击穿。实验结果实验结果 12 XJIPC 中国科学院中国科学院新疆理化技术研究所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首届全国辐射探测微电子学术年会 NME2017NME2017 0250500750100012501500175020001E-121E-111E-101E-91E-81E-71E-61E-51E-41E-3 IG，stress/AStress time/s Unirradiated Floating irradiatedVG=3.