形成了辐射潜在损伤-Indico@IHEP.PPT

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 NME’2017 XJIPC 中国科学院新疆理化技术研究所 XINJIANG TECHNICAL INSTITUTE OF PHYSICS AND CHEMISTRY,CAS XJIPC 中国科学院新疆理化技术研究所 XINJIANG TECHNICAL INSTITUTE OF PHYSICS AND CHEMISTRY,CAS 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 NME’2017 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 NME’2017 XJIPC 中国科学院新疆理化技术研究所 XINJIANG TECHNICAL INSTITUTE OF PHYSICS AND CHEMISTRY,CAS XJIPC 中国科学院新疆理化技术研究所 XINJIANG TECHNICAL INSTITUTE OF PHYSICS AND CHEMISTRY,CAS 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 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*100um2，四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 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 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=1.02VG6.10，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