40 nm NMOS器件沟道热载流子效应和电离总剂量效应关联分析

何宝平，马武英，王祖军，姚志斌，缑石龙

(强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室； 西北核技术研究所： 西安 710024)

为保证航天器在空间天然辐射环境高可靠和长寿命的运行，对系统中电子器件的性能提出了越来越高的要求，即具备高速、高可靠、低功耗和强抗辐射能力。为达到型号任务对核心器件的性能、规模及容量等方面的要求，新一代航天器等先进装备采用纳米器件已成为必然选择。当MOSFET 器件进入纳米工艺，器件的栅氧化层厚度降低，但由于浅槽隔离(shallow trench isolation, STI)[1,2]技术的引入总电离剂量(total ionization dose, TID)效应却没有减弱，STI区域电荷俘获引起横向寄生晶体管打开，TID效应使器件中产生了泄漏路径，从而引起很大的关态漏电流[3-9]，当辐射剂量累积到一定程度，就会引起器件失效，进而影响航天器的寿命。同时，当器件栅长进入纳米尺度后，工作电压并没有等比例缩小，导致器件整体电场增加，使器件产生可靠性长期退化的问题，例如，随着尺寸缩小导致沟道电场增强而出现的热载流子注入(hot carrier injection, HCI)效应[10-13]，其中沟道热载流子(channel hot carrier, CHC)效应是纳米晶体管中严重影响可靠性的问题之一。

航天器在空间应用中, 纳米电子器件始终面临着辐射环境与常规可靠性的双重挑战，如果用单一作用机理的判定标准会造成电子器件可靠性的乐观估计。为保证航天设备在空间环境中长期稳定运行，研究纳米器件TID效应和常规可靠性的关联性是非常必要的。近年来开展了很多TID效应和常规可靠性的相关性研究[14-20]，但多数针对栅氧化层较厚的MOS器件。对于新型薄栅MOS器件TID效应和可靠性相互作用机制,目前并没有形成统一的认识。本文主要针对40 nm 工艺NMOS器件，通过理论模拟和试验2方面，研究TID效应和CHC效应相互作用问题，分析二者可能存在的关联性。

1 样品及试验描述

试验样品是40 nm CMOS工艺线流片的NMOS器件，宽W=1 μm，长L=40 nm，宽长比W/L=25。样品没有进行封装，在辐照和CHC效应试验过程中，采用探针进行加偏和电参数测量。总剂量辐照试验在西北核技术研究所10 keV X射线源上进行，辐照过程对试验样品采用开态偏置(NMOS：VG=1.1 V；VD=VS=0)，辐照剂量率选为670 rad(Si)·s-1。累积辐照总剂量为4 Mrad(Si)时，利用半导体参数测试仪对试验样品的转移特性曲线进行测量。试验样品在CHC效应作用过程中VG=VD=1.6 V,VS=0，热载流子注入时间t=3×104s，试验和测试过程在半导体参数测试仪上进行。整个试验流程分为：(1)先TID效应后CHC效应试验，主要分析TID效应对后续CHC效应的影响；(2)先CHC效应后TID效应试验，主要分析CHC效应对后续TID效应的影响。

2 试验结果

累积辐照总剂量为4 Mrad(Si)， 热载流子注入时间为3×104s时，40 nm NMOS器件TID效应和CHC效应的试验结果如图1所示。

由图1可见：CHC效应和TID效应单独作用时，都会对40 nm NMOS器件产生影响；器件在只受TID效应后,转移特性曲线左移，器件在只受CHC效应后转移特性曲线右移；器件在先TID效应后CHC效应共同作用引起的转移特性曲线右移程度大于CHC效应单独作用；器件在先CHC效应后TID效应共同作用引起的转移特性曲线左移程度小于只受TID效应单独作用。

图2为40 nm NMOS器件阈值电压漂移随TID效应和CHC效应作用时间的变化关系。由图2可见：CHC效应单独作用引起器件的阈值电压漂移为29.3 mV；先TID效应后CHC效应引起器件的阈值电压漂移为43 mV；先CHC效应后TID效应引起器件的阈值电压漂移为5.8 mV。

3 理论分析

为深入了解40 nm NMOS器件在TID效应和CHC效应综合作用下的物理机制，本文利用ISE TCAD 软件进行了TID效应和CHC效应的联合仿真研究。构建的 40 nm NMOS 器件结构如图3 所示。

TID效应重点考虑了 STI 部分与沟道界面附近处产生的氧化层正电荷对沟道载流子的影响。在STI氧化层陷阱的基础上加入辐射模型，通过氧化层中的陷阱俘获电荷对器件性能的影响来模拟辐照行为，辐照偏置条件与试验条件相同，在此基础上，同时考虑辐照感生缺陷的退火过程。CHC效应主要是沟道载流子获得高于势垒高度的能量而注入到栅介质中，从而产生陷阱电荷，随着 CHC 效应的累积，会改变器件的电学性能。主要考虑了电离碰撞、隧穿、沟道热载流子效应、载流子-载流子散射及CHC衰减效应等，其中偏置条件与试验条件相同。

40 nm NMOS器件TID效应仿真结果如图4所示。由于纳米器件栅氧化层厚度非常小，辐照在栅氧层中产生的陷阱电荷量非常少，不足以影响到器件的本征特性，但电离辐射会在器件的 STI 区域产生大量的电子-空穴对。由于栅极区域部分跨越 STI 顶部，器件工作时会在STI区域产生电场，STI区域的电子会被电场迅速扫出氧化物，留下带正电的空穴。没有参与复合的空穴被STI层边缘的陷阱俘获，产生氧化层陷阱正电荷。随着氧化层陷阱正电荷的不断累积，最终会在隔离氧化层中形成较大的电场。当电场强度达到了一定值后，NMOS 器件的隔离氧化层附近的 P 型外延表面反型，源极漏极之间就会出现电流泄漏路径。

热载流子注入时间不同时，40 nm NMOS器件Ids-Vgs曲线如图5所示。由于Vds和Vgs都较高，沟道水平方向有较高的电场强度，载流子沿着水平方向做加速运动，并获得较高的能量。在较高Vgs的作用下，具有高能量的电子，发生电子-电子散射，改变运动方向直接射向 Si/SiO2界面，且最终翻越势垒，注入氧化层介质中，一部分会在界面处产生界面态。发生CHC效应的偏置条件是VG≈VD，主要出现在短沟道的器件中。由于热载流子注入效应会在Si/SiO2界面处产生负的界面态，在栅氧化层中产生负的氧化层陷阱电荷，导致NMOS器件的阈值电压、跨导及线性区漏极电流等电学参数发生变化。

3.1 先TID效应后CHC效应对纳米MOS器件的影响

对于NMOS器件，TID效应主要作用于 STI 区域，在STI区域 中引入了氧化层陷阱正电荷，并会在隔离氧化层/外延界面附近的衬底一侧沟道中感生出高数密度的电子。但在长时间退火的情况下，STI中的氧化层陷阱正电荷又会因热激发或衬底隧穿效应而减少，进而引起沟道一侧感生出的电子减少。 40 nm NMOS器件在TID效应作用下沟道电子数密度的分布，如图6所示。CHC效应是由于沟道中的电子发生电子-电子散射，获得高能量而进入栅氧介质中而产生的。TID效应和CHC效应二者的关联点在于本征沟道中的电子。器件先TID效应后CHC效应试验，TID效应会显著增加沟道中的电子数密度，导致电子散射概率增加，使后续的CHC效应更容易产生氧化层陷阱负电荷和界面陷阱负电荷，导致本征管曲线向正方向发生漂移。界面陷阱电荷沿y轴的分布如图7所示。

其次，在长时间作用下，STI中的氧化层陷阱正电荷会发生退火效应，导致寄生沟道电子减少，引起寄生管转移特性曲线发生正方向漂移。40 nm NMOS器件在不同效应作用下的I-V曲线，如图8所示。由图8可见，2种效应综合作用的导致器件的损伤程度要大于CHC效应单独作用。在器件先TID效应后CHC效应试验中，2种效应具有相关性。

3.2 先CHC效应后TID效应对纳米MOS器件的影响

器件先CHC效应后TID效应试验时，CHC效应会在Si/SiO2界面形成界面陷阱负电荷，同时热电子注入会在氧化层中产生氧化物陷阱负电荷，引起阈值电压正向漂移；后续的TID效应在STI氧化层中产生大量的氧化物陷阱正电荷，并在Si/SiO2界面附近 Si 的一侧感生出更多的电子，增加了寄生晶体管沟道的电子数密度，如图9所示，使泄漏电流增大，阈值电压负向漂移。CHC效应作用位置为栅氧介质，而TID效应的作用位置为 STI 部分，二者相对位置较远。因此，CHC效应在栅介质处形成的缺陷对后续TID效应的STI寄生管的影响可忽略，二者共同作用只是一个相互抵消的过程。40 nm NMOS器件在不同效应作用下的I-V曲线，如图10所示。由图10可见，先CHC效应后TID效应综合作用下转移特性曲线右移变化量比CHC效应单独作用时小，左移变化量比TID效应单独作用时小，阈值电压漂移处于2种效应单独作用之间。2种效应不具有相关性，综合效应只是2种效应叠加的结果。

4 结论

纳米器件在空间应用中，面临着辐射环境与常规可靠性的双重挑战，器件退化规律比单独条件下的规律更为复杂。研究结果表明：CHC效应和TID效应单独作用都会对纳米NMOS器件产生影响，但在综合作用下的相关性与二者作用的先后顺序有关；先TID效应后CHC效应导致器件的损伤要大于CHC效应单独作用结果，2种效应具有相关性，二者的关联点在于本征沟道中的电子，TID效应会显著增加器件沟道中的电子数密度，导致电子散射几率增加，使后续CHC效应更容易产生氧化层陷阱负电荷和界面陷阱负电荷；而先CHC效应后TID效应导致器件的损伤程度小于TID效应和CHC效应单独作用时的损伤，综合效应只是2种效应叠加的结果，二者共同作用只是相互抵消的过程，2种效应没有相关性。