MOS器件总剂量辐射加固技术研究.pdf

电子科技大学硕士学位论文MOS器件总剂量辐射加固技术研究姓名：谭开洲申请学位级别：硕士专业：工程指导教师：杨谟华;郭林2001.3.1摘要皿星、核反应堆及其它长期工作在低剂量率的高能射线辐射条件下的MOS器件很容易因为辐射导致器件阈值电压漂移而失效，这需要从制造工艺和电路设计上考虑抗总剂量辐射加固的措施r亨本文阐述了MQ＆墨往及结构亟型量缒魁效应及研究方法讨论了SiO：／Si界面系统中氧化物陷阱电荷(Not)和界面陷阱电荷(界面态Nit)的特性在SiO，／Si系统氧化物陷阱和界面陷阱电荷有关理论基础上进行了54HC系列M0s门电路抗Y和x射线总剂量辐射工艺研究职寸比了850C H-O合成栅氧化和1000℃干氧栅氧化以及900"(2含I-IF的栅氧化方式在不同的热处理温度下，栅氧化层厚度为30．60rim范围内MOs器件的Y和X射线辐射总剂量效应，发现41rim的H．o合成栅氧化层和29rim的干氧栅氧化层的样品有较好的抗总剂量辐射效果我们将研究结果应用于54HCl0RH三输入与非门电路的研制，在美军标M儿．M一38510条件下，达到2×106rad(Si)Y总剂量辐射加固水平，满足了用户的要求。

1—一采用高电场应力方式对四端MOSFET的阈值电压受Si02／Si界面系统陷阱电荷的影响进行了研究，发现在正的高电场应力作用下，MOS器件阈值电压漂移与较高总剂量辐射时闽值电压漂移十分相似，可以作为～种定性的辐射评估手段根据SiOjSi界面系统陷阱电荷辐射变化规律，对CMOS简单逻辑门电路从电路设计角度上提出了一种总剂量疆越加固．友这，给出的SPICE模拟结果表明这种方法在辐射引起N、PMOS管阈值电压分别漂移1V、O．8V条件下门电路的噪声容限基本不受影响AbstractThe total dose radiation effects of MOS structures and theirinvestigation are reviewed and discussed in this dissertation．The wellknown theory for the characterization of both oxide and interface trapcharges is also discussed．Based on this theory，we investigated the Ytotal dose hardening process for 54HC series MOS gate circuits．Theobtained results have been applied to the development of 54HC 10RHdevice．The fabricated device WaS tested by using American militarystandards MlL—M．385 10 and showed a Y total dose hardness of over 2×1 06rad(Si)，having met customer’S requirements．nle effects of Si02／Sicharges on the threshold voltage of four terminal MOSFET structuresunder high field stress were studied and some interesting results havebeen obtained．It iS a qualitative method to estimate eriects of high totaldose radiation for MOS device．According to the rule of Si0，／Si chargechanges with radiation，a total dose hardness design has been proposedfor simple CMOS logic gate circuits and its SPICE simulation resultswere presented．第一章 绪论第一章绪论§1．1 总剂量辐射加固应用背景§1．1．1应用环境1990年的海湾战争和1999年的科索沃战争有几种武器给人们留下了深刻的印象，并在军事上创造了一个可以称之为划时代的新型战法，当时还有硅片打败钢铁的说法。

这种战法最大特点是所谓的远距离精确打击的能力以卫星全球定位系统为主的电子系统在这种战法中起了决定作用这也是硅片打败钢铁说法的缘由而工作于地球大气层外的卫星是处于各种辐射环境下工作的，这种辐射环境对电路主要有两种影响，一种是较低剂量率但长时间作用的称之为总剂量辐射效应，这是我们将要讨论的另一种是单个高能粒子入射到电子器件中引起逻辑错误、脉冲干扰、甚至于电路的烧毁的、称之为单粒子事件的效应．我们将不讨论这方面的问题民用卫星的作用主要是通讯的快捷方便、资源勘探、气象预报，带来的是经济利益及国民经济的发展，虽然军事卫星在战争爆发时才会体现它对战争胜负的影响，但是对于一个主权国家来说这是十分必要的卫星上的元器件一般不易更换，因此对其进行辐射总剂量加固是尤为重要的辐射总剂量加固除应用于卫星之外，它在核电站的核反应堆检测控制．以及地面放射环境和由于高能电子加速所产生的软硬x射线环境中也有应用§1．1．2国内外研究水平法国、美国、比利时双极器件抗总剂量水平可达2×lOSrad(Si)[1】，MOS也可达1×lOSrad(SiO：)【1，2，3]国内有航天部771所，中国科学院新疆物理所，信息产业部电子24所在做这个工作，771所和新疆物理所加固水平在l×107 rad(si)左右[4]。

电子24所加固水平在0．2—0．5×107rad(si)左右§1．2 总剂量辐射效应的回顾从1962年美国和前苏联在太平洋上空进行核爆炸试验致使当时一些卫星失效开始【5]，人们逐渐重视辐射环境下电子器件的行为并进了详细的研究本世纪六十年代，人们开始注意到低剂量率长时间辐射对卫星上的器件有很大第一章 绪论影响到70年代人们有了一定的初步共识[12．20]，认为当辐射射线能量大于二氧化硅能带的禁带宽度时就可以产生总剂量效应在辐射条件下射线的能量可以改变硅器件氧化层中的电荷，从而改变半导体器件表面的电场分布，改变MOS晶体管的开启电压，同时还能改变半导体和绝缘体界面电荷状态，使之能随半导体表面能带电势变化而充电或放电，并且它还会对沿表面运动的载流子产生散射作用，使载流子迁移率下降，使晶体管性能变差，后来随着研究的深入，报道的数据越来越丰富，发现总剂量辐射对各种条件的随机性很大，尽管已经研究了那么多年，却始终不能形成一个定量的精确的模型和理论大部分都是定性的趋向性的结论，并且这些结论还有一些特定的条件到目前为止总剂量辐射的理论基本上还是一种唯象的半经验的实验理论以辐射效应与氧化层厚度的关系来说． 研究结果表明辐射产生的MOS阈值电压漂移△Vt与氧化层厚度有如下关系式△Vt ocTL，的形式[12—18】， n=l一3，它与工艺过程辐射时的条件(如电场、温度、剂量率等)密切相关。

这里的n就是一个不能唯一决定的参数，这个式子只告诉我们：氧化层厚度越厚，总剂量辐射效应越严重，至于多厚的氧化层在同样的总剂量条件下会有多大的辐射效应，这个式子并不能给你一个准确的结果，它决定于很多条件，如工艺过程的不同等人们还发现辐射效应与MOS结构所加的偏置电压的大小和极性十分有关系，通常不论PMOS、NMOS场效应晶体管或N型P型MOS电容，在正偏压条件下进行辐射其总剂量辐射效应都比零偏压和负偏压下的总剂量效应严重得多【1l】，多年研究表明这与氧化层中的空穴的产生、输运及陷阱有关在正偏压条件下辐射二氧化硅层产生的空穴受正电场作用向Sio'／Si界面漂移并在靠近界面处被空穴陷阱俘获而形成正电荷，而在负偏压下辐射氧化层所产生的空穴将向栅电极r如铝、多晶硅)漂移并在界面处被俘获，这样看来似乎正负电场对辐射产生的空穴和其被俘获的行为对于二氧化硅几乎是对称的但是为何正偏压下辐射总剂量效应却远比负偏压下的总剂量辐射效应更显著呢?有两个可能的原因，一个原因是靠近栅电极的电荷(如负偏压情况)所引起的栅电极电压降较小．而远离栅电极的电荷(如正偏压情况)所引起的电压降较大另一个原因是SiOJSi界面应力较大，SiO：／Si界面氧化物(空穴)陷阱密度比栅电极与二氧化界面附近的空穴陷阱密度大。

这里正负偏压的定义特指栅电极相对于衬底的电势，若栅电极相对于硅衬底为正电压则称之为MOS结构的正(栅)偏置电压反之则称为负(栅)偏压简称为正或负偏压样品的工艺制备过程2第一章 绪论对总剂量辐射效应的影响是最复杂和敏感的，也是各种文献不够系统和精确的方面一般来说加固工艺原则之一是避免在栅介质形成之后采用温度高于栅介质形成时的温度，避免长时间的高温处理在栅介质材料上，氮化硅、三氧化二铝、掺磷二氧化硅都在一定条件下有很好的抗辐射总剂量能力，其原因是这些栅介质材料含有较多的电子陷阱，可以补偿对器件性能影响很大的空穴陷阱，而纯二氧化硅介质内电子陷阱与空穴陷阱相比d,N可以忽略的程度(相差10，倍以上)，因而可以提高其抗总剂量辐射能力，抑制MOS晶体管闽值电压的漂移人们还发现在氧化层加入一些杂质对总剂量辐射加固也有一定的提高，纯二氧化硅中注入铝的方式可以改善正偏压条件下的辐射总剂量效应，但是负偏压条件下它的辐射总剂量效应却十分严重，[6]铬元素的引入可以改善负偏下的辐射总剂量效应，但是正偏压的总剂量效应却较明显三氧化二铝作为MOS结构的绝缘栅介质在正偏压和负偏压下抗总剂量辐射效果都很好，但是所承受的电场不能太大，大于1．6M／cm辐射效果就很差了，此时会发生电子注入现象【7，29]二氧化硅上的氮化硅双层绝缘栅介质也是在低电场时抗辐射效果很好，但是在高电场作用下也存在电子注入问题E32 1。

早期的研究认为干氧化方式辐射加固效果比湿氧或水气氧化方式的氧化层好但是后来湿氧方式经过改进和适当的控制其加固效果也是很好的，对某些应用还有特殊的优点，比如在控制总剂量辐射条件下的SOS结构的背栅漏电上，就是一个好的例子【8]工艺处理气氛对总剂量辐射有许多重要的影响，这中间最主要的气氛是含氢元素的气氛(包括水气气氛)[9】硅的晶向与总剂量辐射效应的关系也被观察到，按、、的顺序总剂量辐射效应越来越差这被解释成总剂量辐射效应与原子的面密度约成正比关系[】0]§1．3总剂量辐射效应研究及应用展望§1．3．1MOS集成电路按比例缩小规则的影响总剂量辐射效应有一个粗略的公式及氧化物陷阱电荷密度与氧化层厚度Tox的r1次方成正比，虽然此公式不能精确描述不同制备方式的MOS结构的辐射总剂量效应结果，但是它给出了一个方向，即总剂量辐射效应将随氧化层厚度减小而减小，正好MOS集成电路按比例缩小规则正好符合这个条件，故而随MOS集成电路按比例缩小，栅氧化层、场氧化层厚度将随着减小，天然地抗总剂量辐射效应能力将随之增加当然这里的评价标准也有一定变化，通常3第一章 绪论剂量辐射效应能力将随之增加当然这里的评价标准也有一定变化，通常的总剂量辐射效应指标之一的阈值电压漂移在大尺寸的MOS集成电路中因为工作电压较高允许的阈值电压漂移△vt较大，而按比例缩小以后的MOS集成电路允许的阈值电压漂移因为工作电压的降低而减小．但是无论怎样， 关系式△vtocr。

对阈值电压漂移的贡献是r1次方的变化，并且按比例缩小的规则实际上对集成电路工作电压来说并没有按比例缩小，它是一个折衷的电压值，比按比例缩小的电压值要大些这样，因为n次方和未按比例缩小的工作电压，使得在按比例缩小的MoS集成电路中允许它的闽值电压漂移并未按比例缩小。