2022年医学专题—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(qjin)(qjin)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 新疆新疆(xn jin)理化技术研究所理化技术研究所第一页，共二十页。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v 研究背景与意义研究背景与意义v 实验实验(shyn)简介简介v 实验结果实验结果v 机理分析机理分析v 总结总结2第二页，共二十页。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随着随着(su zhe)(su zhe)科学技术的发展，微电子器科学技术的发展，微电子器件在航空件在航空航天、军事、能源领域广泛应用航天、军事、能源领域广泛应用 研究研究(ynji)背景与背景与意义意义3高性能，高性能，低功耗低功耗的微纳的微纳米器件米器件在该领在该领域的应域的应用用(yngyng)受到受到广泛关广泛关注注第三页，共二十页。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(xn pin)工艺发展趋势高集成度、高可靠性器件(qjin)内部电场随着特征尺寸的变化趋势内部电场增强导致内部电场增强导致(dozh)(dozh)各类物理效应凸显各类物理效应凸显有效途径新结构（如LDD）新材料（如H-K）一、研究背景及意义一、研究背景及意义 研究背景与意义研究背景与意义4第四页，共二十页。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、研究一、研究(ynji)(ynji)背景及意义背景及意义 研究背景研究背景(bijng)与意与意义义深空辐射深空辐射(fsh)环境下的器件失效模式与失效率示意图环境下的器件失效模式与失效率示意图5第五页，共二十页。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)原因原因(yunyn)一：一：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：辐照辐照(f zho)导致氧化层损伤导致氧化层损伤1.热载流子注入热载流子注入2.栅介质栅介质(jizh)软击穿软击穿3.介质经时击穿效应介质经时击穿效应4.7 MV/cm5 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第六页，共二十页。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 NME2017NME2017n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(s zhn)(s zhn)不同的样品分别代表电路设计中四种不同的样品分别代表电路设计中四种(s zhn)(s zhn)不同的分立器件。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量总注量1.2VN+Pwell约2nm45/100（um）零偏107/cm23.3VN+Pwell约6.8nm45/100（um）零偏/加偏107/cm21.2VP+Nwell约2nm45/100（um）零偏107/cm23.3VP+Nwell约6.8nm45/100（um）零偏107/cm2 实验实验(shyn)简介简介7第七页，共二十页。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辐照前后3.3N型器件(qjin)栅氧电流的变化辐照前后(qinhu)1.2N型器件栅氧电流的变化n浮浮空空偏偏置置的的重重离离子子试试验验中中，我我们们没没有有观观测测到到明明显显的的漏漏电电而而只只是是略略有有(l yu)上升。上升。栅极泄露电流 实验结果实验结果8第八页，共二十页。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 辐照(f zho)前与不同总剂量辐照(f zho)下的栅氧层漏电图与能带解释这这种种偏偏置置情情况况下下的的漏漏电电来来源源不不是是由由于于栅栅氧氧层层结结构构改改变变(gibi(gibi n)n)而而是是由由于于电离能损带来的电离能损带来的MISMIS结构能带的变化。结构能带的变化。n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，该电流大小隧穿电流，该电流大小(dxio)(dxio)强烈依赖于能带的弯曲程度强烈依赖于能带的弯曲程度 实验结果实验结果9第九页，共二十页。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辐照与退火前后(qinhu)器件的栅极泄露电路变化趋势图（a）3.3N型（b）3.3P型经经过过100100高高温温退退火火，器器件件(qjin)(qjin)的的栅栅极极泄泄露露电电流流几几乎乎恢恢复复到到了了辐辐照照前前的的初始值，这说明这种潜在的损伤是可以退火的。初始值，这说明这种潜在的损伤是可以退火的。实验实验(shyn)结果结果10第十页，共二十页。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氧氧化化物物陷陷阱阱电电荷荷只只能能改改变变栅栅氧氧层层电电子子(di(di nz)nz)势势垒垒，而而决决定定栅栅氧氧寿寿命命的的关关键键在在于于重重离离子子在在栅栅氧氧层层中中造造成成的的氧氧化化层层结结构构缺缺陷陷，在在100100退退火火温温度度下下，这这些些结结构缺陷不能被退火，从而器件的构缺陷不能被退火，从而器件的TDDBTDDB寿命没有寿命没有变化变化 实验实验(shyn)结果结果11第十一页，共二十页。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对对高高栅栅压压偏偏置置的的器器件件漏漏电电曲曲线线进进行行拟拟合合，得得到到了了栅栅电电流流与与栅栅压压的的关关系系：IG=1.02VGIG=1.02VG6.106.10，与与QPCQPC模模型型符符合合的的很很好好，意意味味着着在在高高栅栅压压下下，重重离离子子辐辐照照导导致致(dozh(dozh)器器件件栅栅极极泄泄露露电电流流随随着着栅栅压压尖锐的爬升，栅氧层被重离子轰击后已经软击穿尖锐的爬升，栅氧层被重离子轰击后已经软击穿。实验实验(shyn)结果结果12第十二页，共二十页。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 NME2017NME2017TDDB试验栅电流与应力时间示意图若Imeasure10Xiuse，认为器件已经(y jing)击穿。辐辐照照造造成成(z(z o o chch n)n)的的栅栅氧氧寿寿命命减减少少与与辐辐照照偏偏置置相相关关，很很明明显显，在在较较高高栅栅压压偏偏置置下下的辐照器件寿命退化多，偏置电压越高，寿命减小越多。的辐照器件寿命退化多，偏置电压越高，寿命减小越多。实验实验(shyn)结果结果13第十三页，共二十页。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简化简化(jinhu)(jinhu)的的损伤模型损伤模型把正常的栅氧层N等分，蓝色代表理想(lxing)中的栅氧层，红色代表存在缺陷的栅氧层正常(zhngchng)的栅氧化层（把栅氧N等分分层化）存在导电通道的击穿栅氧化层IGate正常SiO2带缺陷的SiO2缺陷积累形成了漏电路径存在缺陷，但不漏电n栅氧层结构缺陷的产生栅氧层结构缺陷的产生“元凶元凶”：重离子的类位移效应：重离子的类位移效应 机理分析机理分析14第十四页，共二十页。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(f zho)重离子辐照重离子辐照(f zho)破坏了破坏了SiO2的短程有序的短程有序。TDDB应力(yngl)重离子导重离子导致致重离子导重离子导致致TDDB导导致致重离子导重离子导致致缺缺陷陷更更容容易易链链接接阳阳极极与与阴阴极极导致击穿导致击穿 机理分析机理分析15第十五页，共二十页。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 PHYSIC