论文部分内容阅读
摘要：针对总剂量电离辐射效应对MOS器件的影响，研究了MOS器件中的电离损伤机制，MOS器件的SiO2氧化层中因为电离辐射而有沉积能量，使得氧化层电荷和界面态电荷在半导体(Si)表面感生出电荷，使SiO2/Si界面电势变化，从而导致MOS管的阈值电压漂移、跨导退化和漏极电流下降。
关键词：MOS 电离辐射 阈值电压
0 引言
各种空间辐射环境和人为环境中充斥着质子、中子、γ光子和高能电子以及其他高能离子的辐射，这些辐射的累积剂量效应是导致核辐射环境中工作的电子系统失效的主要原因之一。空间辐射环境中工作的半导体器件，主要受到总剂量电离辐射效应，单粒子效应和位移损伤效应。三种损伤效应对器件的损失机制不同，它们对半导体器件的影响也因为器件类型的不同而不同。总剂量电离辐射效应是指电离辐射与器件的材料相互作用而产生带电中心或电荷，从而改变器件特性的损伤问题。依赖于器件表面特性的MOS器件对总剂量电离辐射效应更加敏感。1962年，Van Allen的辐射使Telstar 1 卫星性能退化事件，揭开了总剂量电离辐射效应的研究[1]。当半导体材料接受的能量大于禁带宽度的导致电离辐射的辐照时，一些束缚电子吸收了入射粒子的能量后，从价带激发到导带，打破了材料中原子对它们的束缚，产生电子-空穴对。电离程度用总吸收剂量来表征，国际单位为戈瑞(Gy)，习惯上常用拉德(rad)表示。
1 MOS器件氧化层中的电离辐射效应
在MOSFET的电离辐射效应研究中，由于Si中电子和空穴的迁移率比绝缘体SiO2中的迁移率要大的多，并且MOS型器件是一种以载流子导电为主的器件，所以在研究MOS型器件的电离辐射损伤时，一般都不考虑结构损伤，而是只考虑SiO2的辐射离化作用，MOSFET的电离辐射效应的敏感区域是栅氧化层SiO2，人们通常关心的只是SiO2中捕获的电荷。
SiO2中电离过程如图1所示[2]，由图1可以看出，入射粒子在SiO2产生电子-空穴对，由于电子的迁移率较大，所以在皮秒时间量级内就可以穿过SiO2而被阳极吸收。与此同时，空穴的迁移率较低，所以只能在电场的作用下作随机的捕获-释放的跳跃式向阴极输运。在电子与空穴分别向两极运动之前，空穴和部分电子要发生复合。最后，少量的电子和大量的空穴在SiO2被捕获，其中，被捕获的空穴大部分靠近SiO2/Si界面，它们在SiO2/Si界面处相互作用，在SiO2/Si界面上还会产生界面态。在辐照源去除后，电离损伤将随时间不断恢复（称为退火），靠近界面的氧化物中正电荷和界面态都可以和衬底交换电荷，发生退火效应。界面态和氧化物电荷是造成MOS器件的电性能变化的主要原因[3]。
材料中产生的电子-空穴对数目由材料吸收的总电离能量除以一个电子-空穴对的产生能。对于SiO2，最新的报道为每个电子-空穴对的产生能等于17±1eV[4]，据此可得出，单位剂量在SiO2中产生的电子-空穴对数目大约为8.1×1012cm-3×rad-1(SiO2)。
产生电子-空穴对的密度由电离辐射的线性能量传输(LET)或阻止本领决定。如能量为几MeV的α粒子入射，LET约为1MeV·mg-1·cm2，此时应采用柱体复合模型。对电子-空穴对复合有影响的另一个重要因素是氧化物中的电场。电场促使电子-空穴对分开，因而通常情况下，电场越强，逃逸复合的载流子越多。逃逸初始复合的电子-空穴对的份额是一个很重要的量，它决定了最终MOS器件SiO2层中正电荷数量和界面态数量。
2 电离辐射对MOS器件的辐射损伤
电离辐射在MOS晶体管中可以造成阈值电压漂移[5]。阈值电压VT漂移为MOS器件对辐照的电离损伤的主要特征。一般来说，VT都是朝着负电压的方向漂移，栅压的量值和极性决定了漂移量的大小。正栅压下的漂移比负栅压下要大，当栅压小于等于零时，漂移量基本上等于零。辐射产生氧化层电荷效应是引起阈值电压VT漂移的原因，而VT只向负向漂移的原因是电离辐射产生的氧化层电荷为正电荷。但是在电离辐射剂量比较高的情况下，也可能会发现NMOS器件中的VT向正向漂移，发生正向漂移的原因可能是辐射产生的界面陷阱效应，界面陷阱效应即Si/SiO2界面陷阱使得SiO2层中净的正电荷量减小，其作用相当于电子陷阱。电离辐射产生界面陷阱效应还会产生其它的不利影响。如MOS器件沟道迁移率的变化、MOS电容的C-V曲线的突变等等。除了阈值电压漂移以外，MOS电路的上升时间和下降时间因为电离辐射而增加，电路的工作速度受到很大影响。逻辑电路的低电平噪声容限会因为电离辐射而减小，相反的，高电平噪声的容限因电离辐射而增大，使得电路的抗干扰能力大大降低。电离辐射效应对MOS 器件的影响要远远大于位移损伤效应，这是因为MOS器件的SiO2氧化层中因为电离辐射而有沉积能量，沉积能量使得SiO2中的原子键断开而产生电子-空穴对，电子空穴对在经历初始复合后，剩余的电子迁移出SiO2，而空穴则一部分迁移出SiO2，在SiO2/Si界面处反应形成界面态电荷，一部分被SiO2中的深空穴陷阱俘获形成氧化层陷阱电荷。氧化层电荷和界面态电荷将在半导体(Si)表面感生出电荷，使SiO2S/i界面电势变化，从而导致MOS管的阈值电压漂移、跨导退化和漏极电流下降。
阈值电压漂移依赖于氧化物电荷和界面态电荷的产生与退火速率。在考虑到退火的情况下，假定氧化物电荷在SiO2层中均匀分布，则SiO2层中氧化物电荷造成的MOS器件阈电压漂移为：
其中，初始阈电压漂移
上式中，D以rad(SiO2)为单位，d以纳米为单位，阈值电压漂移以毫伏为单位。可以看出，MOS器件的初始电离损伤与氧化层厚度的平方成正比，减小氧化层厚度可以明显地减小电离损伤。
3 结论
MOSFET的电离辐射效应的敏感区域是栅氧化层SiO2，电子在SiO2中具有很高的迁移率，室温下在皮秒时间内扫过氧化物。空穴的迁移率很小，空穴输运不能用迁移率简单描述。MOS器件的SiO2氧化层中因为电离辐射而有沉积能量，使得氧化层电荷和界面态电荷在半导体(Si)表面感生出电荷，使SiO2S/i界面电势变化，从而导致MOS管的阈值电压漂移、跨导退化和漏极电流下降。
参考文献：
[1]陈世彬，张义门，陈雨生.不同粒子在硅中能量沉积及比较[J].核电子学与探测技术，2001，21.
[2]McLean F B，McGamity J M，Scozzie C J，et al.Analysis of Neutron Damage in High-Temperature Silicon Carbide JFETs[J].IEEE Trans Nucl Sci，1994，41.
[3]曹建中.半导体材料的辐射效应[M].北京:科学出版社，1993.
[4]Benedetto J M and.Boesch H E.The Relationship Between ‘Co and 10 keV X-ray Damage in MOS Devices[J].IEEE Trans Nucl Sci，1986，33.
[5]Marshall P W，Dale C J，Burke E A，et al.Displacement Damage Extremes in Silicon Depletion Regions[J].IEEE Trans Nucl Sci，1989，36.
作者简介：
答元(1982-)，女，汉族，陕西西安人，学士，西安工业大学数理系助教。研究方向：原子核物理。
关键词：MOS 电离辐射 阈值电压
0 引言
各种空间辐射环境和人为环境中充斥着质子、中子、γ光子和高能电子以及其他高能离子的辐射，这些辐射的累积剂量效应是导致核辐射环境中工作的电子系统失效的主要原因之一。空间辐射环境中工作的半导体器件，主要受到总剂量电离辐射效应，单粒子效应和位移损伤效应。三种损伤效应对器件的损失机制不同，它们对半导体器件的影响也因为器件类型的不同而不同。总剂量电离辐射效应是指电离辐射与器件的材料相互作用而产生带电中心或电荷，从而改变器件特性的损伤问题。依赖于器件表面特性的MOS器件对总剂量电离辐射效应更加敏感。1962年，Van Allen的辐射使Telstar 1 卫星性能退化事件，揭开了总剂量电离辐射效应的研究[1]。当半导体材料接受的能量大于禁带宽度的导致电离辐射的辐照时，一些束缚电子吸收了入射粒子的能量后，从价带激发到导带，打破了材料中原子对它们的束缚，产生电子-空穴对。电离程度用总吸收剂量来表征，国际单位为戈瑞(Gy)，习惯上常用拉德(rad)表示。
1 MOS器件氧化层中的电离辐射效应
在MOSFET的电离辐射效应研究中，由于Si中电子和空穴的迁移率比绝缘体SiO2中的迁移率要大的多，并且MOS型器件是一种以载流子导电为主的器件，所以在研究MOS型器件的电离辐射损伤时，一般都不考虑结构损伤，而是只考虑SiO2的辐射离化作用，MOSFET的电离辐射效应的敏感区域是栅氧化层SiO2，人们通常关心的只是SiO2中捕获的电荷。
SiO2中电离过程如图1所示[2]，由图1可以看出，入射粒子在SiO2产生电子-空穴对，由于电子的迁移率较大，所以在皮秒时间量级内就可以穿过SiO2而被阳极吸收。与此同时，空穴的迁移率较低，所以只能在电场的作用下作随机的捕获-释放的跳跃式向阴极输运。在电子与空穴分别向两极运动之前，空穴和部分电子要发生复合。最后，少量的电子和大量的空穴在SiO2被捕获，其中，被捕获的空穴大部分靠近SiO2/Si界面，它们在SiO2/Si界面处相互作用，在SiO2/Si界面上还会产生界面态。在辐照源去除后，电离损伤将随时间不断恢复（称为退火），靠近界面的氧化物中正电荷和界面态都可以和衬底交换电荷，发生退火效应。界面态和氧化物电荷是造成MOS器件的电性能变化的主要原因[3]。
材料中产生的电子-空穴对数目由材料吸收的总电离能量除以一个电子-空穴对的产生能。对于SiO2，最新的报道为每个电子-空穴对的产生能等于17±1eV[4]，据此可得出，单位剂量在SiO2中产生的电子-空穴对数目大约为8.1×1012cm-3×rad-1(SiO2)。
产生电子-空穴对的密度由电离辐射的线性能量传输(LET)或阻止本领决定。如能量为几MeV的α粒子入射，LET约为1MeV·mg-1·cm2，此时应采用柱体复合模型。对电子-空穴对复合有影响的另一个重要因素是氧化物中的电场。电场促使电子-空穴对分开，因而通常情况下，电场越强，逃逸复合的载流子越多。逃逸初始复合的电子-空穴对的份额是一个很重要的量，它决定了最终MOS器件SiO2层中正电荷数量和界面态数量。
2 电离辐射对MOS器件的辐射损伤
电离辐射在MOS晶体管中可以造成阈值电压漂移[5]。阈值电压VT漂移为MOS器件对辐照的电离损伤的主要特征。一般来说，VT都是朝着负电压的方向漂移，栅压的量值和极性决定了漂移量的大小。正栅压下的漂移比负栅压下要大，当栅压小于等于零时，漂移量基本上等于零。辐射产生氧化层电荷效应是引起阈值电压VT漂移的原因，而VT只向负向漂移的原因是电离辐射产生的氧化层电荷为正电荷。但是在电离辐射剂量比较高的情况下，也可能会发现NMOS器件中的VT向正向漂移，发生正向漂移的原因可能是辐射产生的界面陷阱效应，界面陷阱效应即Si/SiO2界面陷阱使得SiO2层中净的正电荷量减小，其作用相当于电子陷阱。电离辐射产生界面陷阱效应还会产生其它的不利影响。如MOS器件沟道迁移率的变化、MOS电容的C-V曲线的突变等等。除了阈值电压漂移以外，MOS电路的上升时间和下降时间因为电离辐射而增加，电路的工作速度受到很大影响。逻辑电路的低电平噪声容限会因为电离辐射而减小，相反的，高电平噪声的容限因电离辐射而增大，使得电路的抗干扰能力大大降低。电离辐射效应对MOS 器件的影响要远远大于位移损伤效应，这是因为MOS器件的SiO2氧化层中因为电离辐射而有沉积能量，沉积能量使得SiO2中的原子键断开而产生电子-空穴对，电子空穴对在经历初始复合后，剩余的电子迁移出SiO2，而空穴则一部分迁移出SiO2，在SiO2/Si界面处反应形成界面态电荷，一部分被SiO2中的深空穴陷阱俘获形成氧化层陷阱电荷。氧化层电荷和界面态电荷将在半导体(Si)表面感生出电荷，使SiO2S/i界面电势变化，从而导致MOS管的阈值电压漂移、跨导退化和漏极电流下降。
阈值电压漂移依赖于氧化物电荷和界面态电荷的产生与退火速率。在考虑到退火的情况下，假定氧化物电荷在SiO2层中均匀分布，则SiO2层中氧化物电荷造成的MOS器件阈电压漂移为：
其中，初始阈电压漂移
上式中，D以rad(SiO2)为单位，d以纳米为单位，阈值电压漂移以毫伏为单位。可以看出，MOS器件的初始电离损伤与氧化层厚度的平方成正比，减小氧化层厚度可以明显地减小电离损伤。
3 结论
MOSFET的电离辐射效应的敏感区域是栅氧化层SiO2，电子在SiO2中具有很高的迁移率，室温下在皮秒时间内扫过氧化物。空穴的迁移率很小，空穴输运不能用迁移率简单描述。MOS器件的SiO2氧化层中因为电离辐射而有沉积能量，使得氧化层电荷和界面态电荷在半导体(Si)表面感生出电荷，使SiO2S/i界面电势变化，从而导致MOS管的阈值电压漂移、跨导退化和漏极电流下降。
参考文献：
[1]陈世彬，张义门，陈雨生.不同粒子在硅中能量沉积及比较[J].核电子学与探测技术，2001，21.
[2]McLean F B，McGamity J M，Scozzie C J，et al.Analysis of Neutron Damage in High-Temperature Silicon Carbide JFETs[J].IEEE Trans Nucl Sci，1994，41.
[3]曹建中.半导体材料的辐射效应[M].北京:科学出版社，1993.
[4]Benedetto J M and.Boesch H E.The Relationship Between ‘Co and 10 keV X-ray Damage in MOS Devices[J].IEEE Trans Nucl Sci，1986，33.
[5]Marshall P W，Dale C J，Burke E A，et al.Displacement Damage Extremes in Silicon Depletion Regions[J].IEEE Trans Nucl Sci，1989，36.
作者简介：
答元(1982-)，女，汉族，陕西西安人，学士，西安工业大学数理系助教。研究方向：原子核物理。