不同型号PMOSFETs的剂量率效应研究

兰 博 郭 旗 孙 静 崔江维 李茂顺 费武雄 陈 睿 赵 云

1（中国科学院新疆理化技术研究所，新疆电子信息材料与器件重点实验室 乌鲁木齐 830011）

2（中国科学院研究生院 北京 100049）

1991年Enlow等[1]发现双极器件的低剂量率损伤增强效应(Enhanced Low-dose-rate Sensitivity,ELDRS)，此后各国开展了这一领域的大量研究[1–4]。MOS器件的剂量率效应曾被认为是时间相关效应(Time-dependent Effect, TDE)[5]，即高剂量率辐照器件的室温退火时间与低剂量率辐照器件的辐照时间相同，就可模拟后者的辐照损伤。2003年，Kim等人[6]发 现 PMOSFETs (p-channel metal oxide semiconductor field-effect transistors)器件中也存在ELDRS效应，此后的研究也证实某些 PMOSFETs器件存在ELDRS效应[6–8]。作为PMOS辐射剂量计的探头，PMOSFETs应用于空间低剂量率(10–6–10–4Gy(Si)/s)辐射环境探测中[9]，而实验室剂量标定的剂量率远大于空间剂量率，高低剂量率辐照对PMOSFETs的损伤差异会影响剂量计标定的准确性，影响其空间应用。因此，有必要对PMOSFETs器件的剂量率效应作进一步研究。

双极器件的ELDRS效应研究表明[1–4]，器件结构、生产工艺以及偏置条件等与 ELDRS效应的产生均有密切的关系。为考察这些因素对PMOSFETs器件的ELDRS效应，我们选取五种PMOSFETs器件进行对比研究。结果表明，PMOSFETs器件的ELDRS效应因器件而异，也有器件未观察到ELDRS效应。

1 材料与方法

实验样品为意大利ST公司的HCF4007UB、国产非加固的 CC4007B以及日本 NEC公司的3SJ11A、2SJ196和 2SJ178。具体的结构和封装形式见表1。

样品在中国科学院新疆理化技术研究所的大(1×1015Bq)、小(3.7×1013Bq)60Co γ源上进行室温辐照，剂量率为 5×10–4、0.3 或 0.5 Gy(Si)/s，总剂量为500或700 Gy(Si)。剂量体系为CaF2热释光剂量计。辐照和退火过程中加0 V或–10 V偏置，管脚连接见表 2。辐照及退火实验均为三样品平行。离线移位测试数据，每次测试在20 min内完成。

表1 5种不同型号器件的结构和封装Table 1 Structure and packaging for five types of devices.

表2 实验中的偏置条件及器件管脚连接Table 2 Bias and connection.

用PC机和美国惠普公司的HP4142B、HP4140半导体参数分析仪以及HP3488矩阵箱，测试器件在辐照及退火时的亚阈I–V特性曲线。对0.3和0.5 Gy(Si)/s辐照器件进行了与 5×10–4Gy(Si)/s辐照器件辐照等时的室温退火。

2 结果与讨论

不同型号器件阈值电压的负向漂移量均随累积剂量增加，但各器件对剂量率和偏置条件的响应特性不同。下文以集成CMOS工艺器件为例，给出其剂量率变化规律。

图1与图2分别为国产CC4007B和ST公司HCF4007UB的阈值电压漂移(∆Vth)测试结果。

由图1(a)，在相同总剂量条件下，加偏CC4007B的∆Vth远大于不加偏器件。负偏条件下，剂量率对∆Vth未见影响；零偏条件下，大剂量率辐照器件的∆Vth为小剂量率下的～1.4倍。图1(b)表明，室温退火后高剂量率辐照器件的∆Vth发生回漂，在零偏下表现出时间相关效应(TDE)。

由图2(a)，HCF4007UB在不同偏置条件的辐照响应特性几乎未见变化。且每种偏置条件下都表现出相同的剂量率效应，即低剂量率辐照器件的∆Vth大于高剂量率，零偏下为～1.2倍，负偏下为～1.3倍。由图 2(b)室温退火后，零偏下辐照器件的∆Vth在退火25 h内继续负漂，随后开始回漂；负偏下器件则一直负漂，但是两种偏压下最终漂移量都未达到低剂量率辐照结束时的程度，即零偏和负偏下均表现出ELDRS效应。

所有器件的剂量率响应试验结果列于表3。

表3 不同型号器件、不同偏置条件下的剂量率辐照结果Table 3 Dose-rate effects of various types at different biasing conditions.

图1 不同偏置条件下CC4007B的阈值电压漂移随辐照总剂量(a)及室温退火时间(b)的变化Fig.1 ∆Vth of CC4007B biased at 0 V or –10 V vs (a) total dose and (b) annealing time at room temperature.

图2 不同偏置条件下HCF4007UB的阈值电压漂移随辐照总剂量(a)及室温退火时间(b)的变化Fig.2 ∆Vth of HCF4007UB biased at 0 V or –10 V vs (a) total dose and (b) annealing time at room temperature.

由表 3，不同器件对偏置条件和剂量率的响应特性明显不同，即使同一厂家的独立单管器件，型号不同，剂量率的响应规律也不完全相同。这可能与器件制造的特征工艺参数(如氧化层厚度，掺杂浓度等)和工艺条件(如氧化和退火条件等)有关。然而，不同器件在偏置上表现出相对一致的规律性，HCF4007UB的偏置规律开始是个例外，但当累积剂量为700 Gy(Si)时，其出现负偏漂移大于零偏的趋势(图 2a)，若再增加累积剂量，可以预见也会表现出一致的偏置规律，这需待后续实验验证。

现有研究表明[6–8]，MOSFETs器件在电离辐射下有两种剂量率效应：ELDRS或 TDE，这主要可归结为下列微观过程的共同作用(括弧内为各过程的时间长度)[10]：(1) 辐射感生的氧化物正电荷形成(ms–s)；(2) 感生界面态的形成(s–a)；(3) 感生氧化物电荷的退火(s–a)；(4) 感生界面态的退火(辐照后的长时间)。

相同总剂量条件下，高剂量率的辐照时间短，辐照过程中氧化物陷阱正电荷的产生过程起主要作用；低剂量率辐照时间长，氧化物陷阱正电荷的产生、退火和界面态的产生同时发生。而感生和退火是相互竞争的微观过程，竞争结果会出现高低剂量率的辐照损伤一样(如 2SJ196、2SJ178)，或低剂量率的损伤大于高剂量率的损伤(如HCF4007UB)，也会出现高剂量率的损伤大于低剂量率损伤(如CC4007B、3SJ11A)，最终的结果取决于竞争双方生成量的多少和生成速度的快慢，即氧化物陷阱正电荷和界面态在辐照过程中的产生率和生成量以及氧化物陷阱正电荷退火的量和速率。

这些因素和器件本身的工艺(如氧化层厚度、栅氧的氧化及退火条件和掺杂浓度等)以及辐照过程中的内建和外加电场有着密切的关系。如氧化层厚度会直接影响 H+的输运，而辐照感生的界面态与H+的产生及输运过程密切相关[8,11,12]。如果氧化层过厚，就可能在氧化层中产生空间电场，阻碍 H+向界面处输运。而且在Si/SiO2界面处因氧化物陷阱正电荷的生成而产生的内建电场的快慢和强弱也会对H+的输运产生很大的影响，从而进一步影响界面态的产生。栅氧的氧化及退火条件不同会导致氧化层中缺陷的浓度差异，进而对氧化物陷阱电荷的饱和生成量产生影响。

空穴陷阱薄层模型[13]认为，外加电场的改变会导致建立在 SiO2中的空穴俘获区和空穴俘获率的不同，影响氧化物陷阱正电荷的产生；同时外加电场的极性和大小的不同，会改变Si/SiO2界面电子势垒的高度，使隧穿进入SiO2中电子数量不同，从而影响氧化物陷阱正电荷的隧道退火，且这种退火方式在氧化物陷阱正电荷的室温退火中占主导作用。同时氧化物陷阱电荷的退火也将减弱在界面处阻碍H+输运的电场。因此，伴随着氧化物陷阱电荷的退火，电场阻碍作用进一步减弱，大量的H+继续输运至界面形成界面态。此时，界面态的后生长和氧化物陷阱正电荷的退火是一个竞争过程，结果会使阈值电压继续负漂，或者回漂(图2b)。而当外加电场为零时(零偏)，辐照过程中产生的电子空穴对会很快复合，使得在零偏条件下氧化物陷阱电荷和界面态的产生都要少于负偏下的产生量，即相同的辐照总剂量条件下，负偏的漂移量要大于零偏(表3)。

综上所述，由于不同型号器件的结构和工艺差异，导致了上述复杂微观过程相互竞争的不同结果，在辐照实验的宏观过程中表现出复杂的剂量率效应和偏置规律。而实验结果也证实了结构和工艺对器件剂量率和偏置响应规律的影响。

3 结论

通过5种PMOSFETs器件的剂量率效应的统计性对比研究，可得到如下结论：

(1) 相同剂量率下，负偏条件下阈值电压的漂移量要大于零偏下的漂移量。但部分型号器件在相同偏置条件下的剂量率效应不同。

(2) 普通 PMOSFETs器件(HCF4007UB)存在ELDRS效应，且不同的辐照偏置条件下均有ELDRS效应。

(3) 并非所有的 PMOSFETs器件都有 ELDRS效应。器件工艺、结构不同，偏置条件不同会产生不同的剂量率效应，甚至没有剂量率效应。因此，影响PMOSFETs器件ELDRS效应的复杂因素，还需进一步深入研究。

1 Enlow E W, Pease R L, Combs W E.IEEE Trans Nucl Sci,1991, 38(6): 1342–1351

2 Graves R J, Cirba C R, Schrimpf R D, et al.IEEE Trans Nucl Sci, 1998,45(6): 2352–2360

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5 Fleetwood D M, Winokur P S, Schwank J R.IEEE Trans Nucl Sci, 1988, 35(6): 1497–1505

6 Kim S J, Seon J H, Min K W, et al.2003 Presented at the Radiation Effect on Components and Systems Conference(RADECS), Netherlands, 2003

7 Kim S J, Min K W, Shin Y H, et al.IEEE Trans Nucl Sci,2002,49(6): 2818–2821

8 孙静, 郭旗, 张军, 等.微电子学, 2009, 39(1): 128–131 SUN Jing, GUO Qi, ZHANG Jun, et al.Microelectronics,2009, 39(1): 128–131

9 Titus J L, Combs W E, Turflinger T L, et al.IEEE Trans Nucl Sci, 1998,45(6): 2673–2680

10 Ma T P, Dressendorfer P V.Ionizing radiation effects in MOS devices and circuits.Canada: John Wiley & Sons,1989.159–163, 218–223, 286–292

11 Mclean F B.IEEE Trans Nucl Sci, 1980, 27(6):1651–1657

12 Saks N S, Klein R B, Griscom D L.IEEE Trans Nucl Sci,1988, 35(6): 1234–1240

13 Freeman R, Holmes-Siedle A.IEEE Trans Nucl Sci, 1978,25(6): 1216–1225