專利名稱：一種cmos器件輻照位移損傷的估算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及CMOS器件的輻照位移損傷，具體是一種估算位移損傷效應(yīng)對(duì)CMOS器 件的電學(xué)特性影響的方法。
背景技術(shù)：
幾十年來，CMOS集成電路一直遵循摩爾定律不斷發(fā)展。通過縮小器件尺寸，不斷 提高集成度。隨著器件特征尺寸縮小，器件性能也在不斷變化發(fā)展。但是，器件特征尺寸的 減小也帶來了各種小尺寸效應(yīng)和可靠性問題。小尺寸效應(yīng)主要包括亞閾值特性嚴(yán)重退化、 DIBL(漏引起的勢壘降低)以及閾值電壓與溝道長度相關(guān)到非常嚴(yán)重的程度；可靠性問題 主要包括熱載流子效應(yīng)、氧化層隨時(shí)間的擊穿(TDDB)和PN結(jié)的退變等。為了使深亞微米 器件正常工作，人們進(jìn)行了多種改進(jìn)，包括降低外加電壓、淺源/漏結(jié)、薄柵氧化層和襯底 重?fù)诫s等等。另外，為了提高器件的性能，通常采取后退溝道摻雜、Hal0結(jié)構(gòu)等來改善器件 的特性。對(duì)于從事器件抗輻照加固領(lǐng)域的研究人員來說，迫切需要了解輻照對(duì)深亞微米器 件本身帶來的新的效應(yīng)，對(duì)在空間環(huán)境、核爆炸輻射環(huán)境下工作的深亞微米集成電路的輻 照響應(yīng)會(huì)產(chǎn)生怎樣新的影響，及其與新型電路工藝相關(guān)的其它復(fù)雜的失效模式。
近年來，人們主要關(guān)注的是輻照對(duì)深亞微米器件產(chǎn)生的軟擊穿和泄漏電流的影 響，研究的焦點(diǎn)主要集中在被柵氧層、埋氧層、淺溝槽隔離區(qū)和體區(qū)，俘獲/收集的輻照離 化產(chǎn)生的電荷對(duì)器件產(chǎn)生的影響，而對(duì)非離化的輻照效應(yīng)(位移損傷效應(yīng))研究的相對(duì)較 少。即對(duì)于傳統(tǒng)的長溝器件，位移損傷效應(yīng)相對(duì)離化輻照效應(yīng)是次級(jí)效應(yīng)，可以忽略。隨著 器件特征尺寸的縮小，由于受重粒子輻照產(chǎn)生的物理損傷區(qū)的作用范圍可以和器件的特征 尺寸相比擬，這種效應(yīng)變得越來越重要，無法忽略。比如這些缺陷群會(huì)使器件溝道的摻雜原 子數(shù)目隨機(jī)發(fā)生變化，進(jìn)一步導(dǎo)致閾值電壓起伏變化。由于現(xiàn)在所用器件的溝道摻雜原子 都在幾十個(gè)到數(shù)百個(gè)，這種現(xiàn)象表現(xiàn)的越來越明顯。特別是尺寸越小，一個(gè)芯片內(nèi)的MOS晶 體管的數(shù)目就越多，器件參數(shù)的偏差就會(huì)越大。很多電路如SRAM單元，靈敏放大器以及某 些數(shù)字電路和模擬電路都要求器件參數(shù)對(duì)稱，輻照引起的雜質(zhì)濃度變化，進(jìn)而影響閾值電 壓的變化，使器件參數(shù)失配，從而嚴(yán)重影響電路的性能。 因此，隨著電路集成度地提高，原來只考慮輻照離化效應(yīng)，用于預(yù)測器件和集成電 路單粒子效應(yīng)的方法已經(jīng)不準(zhǔn)確，不能滿足當(dāng)前輻照技術(shù)的應(yīng)用。這就迫切需要從事輻照 領(lǐng)域的研究人員尋找一種用于估算器件和集成電路位移損傷的方法，進(jìn)一步準(zhǔn)確的預(yù)測集 成電路的輻照性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于超深亞微米制造工藝的CMOS器件在輻射環(huán)境中 位移損傷的估算方法。 本發(fā)明的上述目的是通過如下的技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的 —種CMOS器件的輻照位移損傷的估算方法，其特征在于，根據(jù)入射粒子打到器件
3源漏端、溝道區(qū)和隔離區(qū)三個(gè)不同位置，建立一計(jì)算公式Ids = problXcasel+prob2Xcas e2+prob3 X case3，其中，case是入射粒子打到器件不同位置處的位移損傷造成器件漏端電 流變化，prob是入射粒子打到器件不同位置的概率，根據(jù)該計(jì)算公式，得到入射粒子位移損 傷造成器件漏端電流的變化量Ids，從而估算出CMOS器件在輻射環(huán)境中的位移損傷。
利用蒙特卡羅的方法按照高斯分布隨機(jī)生成入射粒子。入射粒子打到器件源漏端 處的prob范圍為0. 4 0. 6 ;入射粒子打到器件溝道區(qū)處的prob范圍為0 0. 2 ;入射粒 子打到器件隔離區(qū)處的prob范圍為0 0. 3。 利用單粒子打入器件源漏端引起的有效柵壓和漏壓降低變化值，得到位移損傷造 成器件漏端電流變化easel。 利用單粒子打入器件溝道區(qū)的摻雜濃度和遷移率變化值，得到位移損傷造成器件 漏端電流變化case2。 當(dāng)入射粒子打到器件隔離區(qū)時(shí)，位移損傷只造成NMOS器件漏端電流變化，而對(duì) PM0S器件無影響，利用單粒子打入NM0S器件隔離區(qū)的泄漏電流變化值，得到位移損傷造成 器件漏端電流變化case3。
本發(fā)明的技術(shù)效果 參考圖1，當(dāng)高能粒子入射到半導(dǎo)體材料，在與半導(dǎo)體材料晶格原子相互作用時(shí)， 能夠?qū)⒛芰總鬟f給與其相互作用的晶格原子，從而產(chǎn)生位移損傷，并進(jìn)而形成物理損傷區(qū) 或叫缺陷群。而在這些物理損傷區(qū)中，存在著大量的陷阱和缺陷。這些缺陷會(huì)對(duì)半導(dǎo)體材 料的電學(xué)特性產(chǎn)生很大的影響，包括載流子的遷移率、摻雜濃度、電阻率等，從而進(jìn)一步影 響器件的漏電流、閾值電壓、亞閾擺幅等等。 本發(fā)明將單粒子產(chǎn)生的位移損傷造成CMOS器件的電學(xué)特性變化，根據(jù)入射粒子 打到器件的位置不同，分為3種情況，建立一計(jì)算公式Ids = problXcasel+prob2Xcase2 +?！?^3乂(^863，根據(jù)上述計(jì)算公式估算出CMOS器件在輻射環(huán)境中的位移損傷造成的漏端 電流的變化值。


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)地說明
圖1為高能粒子入射到CMOS器件的示意圖；
圖2(a)NM0S晶體管輻照前后柵電壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比圖；
(b)NM0S晶體管輻照前后漏電壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比圖；
圖3為NM0S晶體管輻照前后的轉(zhuǎn)移曲線對(duì)比圖。
具體實(shí)施例方式
下面參照本發(fā)明的附圖，更詳細(xì)的描述出本發(fā)明的最佳實(shí)施例。 本發(fā)明利用蒙特卡羅的方法按照高斯分布隨機(jī)生成入射粒子，根據(jù)入射粒子打到
器件源漏端、溝道區(qū)和隔離區(qū)三個(gè)不同位置，建立一計(jì)算公式Ids = problXcasel+prob2
Xcase2+prob3Xcase3，估算出CMOS器件在輻射環(huán)境中的位移損傷。具體估算步驟如下 1、單粒子打到CMOS器件的源、漏端，則源、漏端寄生電阻增大，隨著M0S晶體管溝
道長度的縮短，溝道的本征電阻減小，而源漏區(qū)的寄生電阻不會(huì)按照比例縮小，這使寄生電
4阻的影響變大。由于重粒子打到器件的源漏附近，致使源漏寄生串聯(lián)電阻增加，使MOS晶體 管的有效工作電壓下降，使器件的工作電流和跨導(dǎo)下降。寄生的源漏電阻使有效的V^ff和 Vdseff下降，^球=^40(1-^/^) ，^#=^e#。(l-iV ，小為輻照時(shí)的通量，Mn M2， N2為擬合因子，和N工取值范圍為10—5 1， M2和N2取值范圍為-7X 10—6 2X 10—4cm2s/ ions。根據(jù)公式^ K^^F^〃 -^)F耐(線性區(qū)漏電流公式)，/A oc^^化4 -
(飽和區(qū)漏電流公式)，這就造成Ids降低，變化量為A Idsl (model 1)，這就是easel位移損傷 導(dǎo)致漏電流的變化值。 2、單粒子打到CMOS器件的溝道區(qū)時(shí)，具體分析如下 (1)改變了溝道的摻雜濃度，進(jìn)一步改變了器件的閾值和亞閾擺幅。隨著器件尺寸 的縮小，溝道區(qū)下面耗盡層摻雜原子在幾百個(gè)數(shù)量級(jí)，重離子產(chǎn)生的位移損傷區(qū)，可以作為 陷阱，束縛多數(shù)載流子不參與導(dǎo)電，從而降低了半導(dǎo)體材料的純雜質(zhì)摻雜濃度，這就降低了
平均摻雜濃度，會(huì)使器件閾值電壓減小，亞閾擺幅變好等= A^^^洲，N。h。為輻照前的
溝道摻雜濃度，N。h為輻照后的溝道摻雜濃度，Bp B2為擬合因子，B工取值范圍為10—5 1， B2 取值范圍為-1. 38X 10—4 4. 35X 10—5cm2S/ions。漏端電流公式同上所述線性區(qū)漏電流公 式和飽和區(qū)漏電流公式，電流變化量為A Ids2(m0del2)。 (2)缺陷群導(dǎo)致的遷移率退化。對(duì)于高能重粒子輻照，在彈性散射和非彈性散射 核碰撞時(shí)，被轉(zhuǎn)移的能量可以達(dá)到足以撞擊一個(gè)原子使它離開自己的晶格位置。由此形成 一個(gè)空位(V)和一個(gè)間隙原子(1)。硅中的空位和間隙，是非常易動(dòng)的。根據(jù)費(fèi)米能級(jí)的 位置不同，他們可能形成不同的電荷狀態(tài)，在輻照時(shí)，由電離沉積大部分的能量，因此產(chǎn)生 高的自由載流子濃度，并且改變?nèi)毕莸碾姾蔂顟B(tài)以及擴(kuò)散和反映的性質(zhì)。間隙和空位均有
他們自己的互作用鏈。空位趨向于同雜質(zhì)配對(duì)，形成v-o， v-v等中心，并產(chǎn)生一系列的絡(luò)
合物，反映出V—、 V°、 ￥++不同性質(zhì)的電荷狀態(tài)。類似的，間隙原子I的不同電荷狀態(tài)I—、 I°、 I++。這些帶電的雜質(zhì)缺陷可作為載流子的散射中心會(huì)使庫倫散射增強(qiáng)，造成遷移率下降。
"U丄(1 + C/。， 為輻照后的遷移率，P。為輻照前的遷移率，Q， C2為擬合因子，Q取 〃 A)
值范圍為10—5 1， C2取值范圍為-1.5X10—4 1.24X10—4Cm2S/ionS。漏端電流公式同上 所述線性區(qū)漏電流公式和飽和區(qū)漏電流公式，電流變化量為A Ids3(m0del3)。
(3)入射粒子致使晶格重構(gòu)，遷移率增加。當(dāng)半導(dǎo)體材料受到輻照，硅中的空位和 間隙是非常易動(dòng)的。根據(jù)費(fèi)米能級(jí)的位置不同，它們可形成不同的電荷狀態(tài)。在輻照時(shí)，由 電離沉積大部分能量，因此產(chǎn)生高的自由載流子濃度，并且改變點(diǎn)缺陷的電荷狀態(tài)以及擴(kuò) 散和反映的性質(zhì)。當(dāng)一些原子向新的電荷周圍靠近時(shí)，在這些缺陷位置捕獲載流子可以將 振動(dòng)能量傳遞給這個(gè)系統(tǒng)。結(jié)果這就有助于遷移，形成所謂的"復(fù)合增強(qiáng)遷移"，它導(dǎo)致高的 遷移率。/^Aa w = "^— Ai ， y enh自ed為輻照后的遷移率，P 。為輻照前的遷移率，D2為 擬合因子，Di取值范圍為10—5 1，02取值范圍為0 1. 192X10—4Cm2S/ionS。漏端電流公 式同上所述線性區(qū)漏電流公式和飽和區(qū)漏電流公式，電流變化量為A Ids4(m0del4)。
(4)瞬態(tài)增強(qiáng)擴(kuò)散，導(dǎo)致halo區(qū)、溝道表面濃度增大，進(jìn)一步致使閾值增大，開 態(tài)電流降低。當(dāng)重離子打到器件的溝道附近，一些間隙原子將從襯底擴(kuò)散到溝道表面附
5近，由于是體硅器件襯底相對(duì)比較厚，這些原子會(huì)引起摻雜原子的增強(qiáng)擴(kuò)散，在靠近源漏 結(jié)、溝道表面摻雜原子的濃度增大，使器件的閾值電壓增大。這種現(xiàn)象與源漏注入損失效 應(yīng)影響的短溝道效應(yīng)——反常短溝道效應(yīng)，相類似。進(jìn)一步導(dǎo)致閾值電壓增大，開態(tài)電流 下降。 。w。,A^。(l + F,勺，AU (Nh)為輻照前的halo區(qū)摻雜濃度，Nhal。rad(Nlx)為輻 照后的halo區(qū)摻雜濃度，F(xiàn)" F2為擬合因子，^取值范圍為10—5 1， F2取值范圍為0 1. 317X10—4cm2S/ions。漏端電流公式同上所述線性區(qū)漏電流公式和飽和區(qū)漏電流公式，電 流變化量為AIds5(model5)， 上述A Ids2 (model2) 、 A Ids3 (model3) 、 A Ids4 (model4)禾P A Ids5 (model5)的和就是 位移損傷導(dǎo)致漏電流的變化值case2 3、輻照導(dǎo)致隔離區(qū)的泄漏電流增加。對(duì)于n管關(guān)態(tài)電流的增大，這是由于重粒子 打到溝槽隔離區(qū)，會(huì)產(chǎn)生大量的電子空穴對(duì)，由于隔離區(qū)存在原生缺陷(陷阱)，這些陷阱 會(huì)俘獲大量的空穴，這些空穴使靠近溝槽隔離區(qū)的硅區(qū)反型，形成了寄生晶體管，導(dǎo)致源漏 連通，增加了泄漏通道，致使泄漏電流增大。這種效應(yīng)類似于總劑量效應(yīng)。在傳統(tǒng)長溝器件， 由于重粒子的作用半徑相對(duì)于器件的尺寸，可以忽略，這種效應(yīng)很不明顯，是次要因素。但 是當(dāng)器件尺寸逐漸縮小到深亞微米，單粒子離化的作用就變得明顯起來，導(dǎo)致了泄漏電流 增加。所以說，這說明隨著器件尺寸的縮小，除了單粒子表現(xiàn)得瞬態(tài)效應(yīng)，單粒子表現(xiàn)的微 劑量效應(yīng)(類似總劑量效應(yīng))影響越來越重要了，并且這種效應(yīng)是硬損傷。單粒子效應(yīng)的 影響和總劑量效應(yīng)類似，對(duì)直流特性有很大的影響。但對(duì)于P管，由于其導(dǎo)致的寄生晶體管 閾值電壓大于主管的閾值電壓，不能導(dǎo)致泄漏電流的增加。所以說，不論是重粒子打到還是 沒有打到器件的溝槽隔離區(qū)，P管的泄漏電流都不會(huì)增加，這與總劑量效應(yīng)類似，所以說輻 照對(duì)P管泄漏電流是沒有影響的。對(duì)于n管，0 = //,6~， Q。x :隔離區(qū)中輻照導(dǎo)致的電荷， HpH2為擬合因子，Hi取值范圍為10—5 1，H2取值范圍為0 5.687X 10—4Cm2S/ionS?？紤] 了輻照影響的閾值電壓公式為VTrad = VT-Q。X/C。X， VTrad為輻照后器件的閾值電壓，VT為未被 輻照時(shí)器件的閾值電壓，C。，隔離區(qū)氧化層電容。漏端電流公式同上所述線性區(qū)漏電流公式 和飽和區(qū)漏電流公式，電流變化量為A Ids6(mod e16)，這就是case3位移損傷導(dǎo)致漏電流的 變化值。 以下以一具體實(shí)施例說明本發(fā)明CMOS器件的輻照位移損傷的估算方法。
當(dāng)粒子打到器件的源漏端，致使源漏寄生串聯(lián)電阻增加，會(huì)使MOS晶體管的有效 工作電壓下降，使器件的工作電流和跨導(dǎo)下降。輻照產(chǎn)生的位移損傷導(dǎo)致源漏寄生電阻 增大，寄生的源漏電阻使有效的V^ff和Vdseff下降。根據(jù)實(shí)驗(yàn)提供的小=5.0X107ionS/ cm7s，然后利用公式AIdsl(modell)進(jìn)行計(jì)算，若擬合因子選= 0. 1， N2 = 2. 56X10—8， 可以算出Vdseff降低了 0. 359倍。在Vds = 0. 05V下，輻照前線性區(qū)每單位寬度漏電流 為0. 071mA，輻照后為0. 05mA，線性區(qū)降低了近30% ，而飽和區(qū)漏電流基本沒有下降。如圖 2(a) 、 (b)為本發(fā)明粒子打到器件的漏端的輻照前后的轉(zhuǎn)移曲線對(duì)比圖(實(shí)驗(yàn)結(jié)果)，該實(shí) 驗(yàn)結(jié)果顯示了輻照后器件的漏電流降低了近30%。 當(dāng)入射粒子打擊位置為溝道區(qū)，重離子產(chǎn)生的位移損傷區(qū)，可以作為陷阱，束縛多 數(shù)載流子不參與導(dǎo)電，從而降低了半導(dǎo)體材料的純雜質(zhì)摻雜濃度，溝道區(qū)下面耗盡層摻雜 原子在幾百個(gè)數(shù)量級(jí)，這就降低了平均摻雜濃度，會(huì)使器件閾值電壓減小。根據(jù)實(shí)驗(yàn)提供的 小=5. 0X107ions/cm2/s，已知Ncb。的值為3. 87 X 1017/cm3，然后利用A Ids2 ( )計(jì)算公式、擬合因子B工=0.5， B2 = 1. 185X10—8進(jìn)行計(jì)算(在溝道摻雜濃度降低占主導(dǎo)時(shí)，其 他影響可以忽略，令A(yù)Ids3(model3)、 AIds4(model4)和A Ids5(model5)分別為0) ， Nch的值 為1.07X10"/cm3?？梢运愠鑫灰茡p傷使溝道摻雜濃度降低了近3/4。輻照前每單位寬度 漏電流為0. 7mA，輻照后為0. 85mA，從而估算出漏端電流增大了 20%。如圖3所示，本發(fā)明 入射粒子打擊到NMOS晶體管溝道區(qū)的輻照前后的轉(zhuǎn)移曲線對(duì)比圖(實(shí)驗(yàn)結(jié)果)。根據(jù)實(shí)驗(yàn) 結(jié)果，輻照后器件的閾值電壓降低了 72mV。 當(dāng)入射粒子打擊位置為隔離區(qū)。由于重粒子打到溝槽隔離區(qū)，會(huì)產(chǎn)生大量的電子 空穴對(duì)，由于隔離區(qū)存在原生缺陷(陷阱)，這些陷阱會(huì)俘獲大量的空穴，這些空穴使靠近 溝槽隔離區(qū)的硅區(qū)反型，形成了寄生晶體管，導(dǎo)致源漏連通，增加了泄漏通道，致使關(guān)態(tài)泄 漏電流增大。根據(jù)實(shí)驗(yàn)提供的小=5. 0X 1(fions/cm7s，已知輻照前被俘獲的電荷Q。，的值 為0，然后利用AIds6(model6)計(jì)算公式、擬合因子Hi = 0.4，H2 = 6. 31 X 10—7進(jìn)行擬合，Q。x 的值為2. OX 1013/cm3?？梢运愠鑫灰茡p傷使器件的關(guān)態(tài)電流從輻照前10—1QA增加到10—8A， 從而估算出關(guān)態(tài)泄漏電流電流增大2個(gè)數(shù)量級(jí)。
如果器件為PM0S，關(guān)態(tài)電流增加值為0。 利用公式Ids = problXcasel+prob2Xcase2+prob3Xcase3，選取概率probl = 0. 6， prob2 = 0. 2， prob3 = 0. 2，可以估算出位移損傷對(duì)該實(shí)驗(yàn)樣品的影響，飽和區(qū)漏電流 的平均為增加0. 04Ids，變化范圍為0 0. 21^關(guān)態(tài)泄漏電流增大了 2個(gè)數(shù)量級(jí)，從10—1QA 增加到10—8A。 上述實(shí)施例只是本發(fā)明的舉例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解在不脫離本發(fā)明及 所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換、變化和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局 限于最佳實(shí)施例和附圖所公開的內(nèi)容。
權(quán)利要求
一種CMOS器件的輻照位移損傷的估算方法，其特征在于，根據(jù)入射粒子打到器件源漏端、溝道區(qū)和隔離區(qū)三個(gè)不同位置，建立一計(jì)算公式Ids＝prob1×case1+prob2×case2+prob3×case3，其中，case是入射粒子打到器件不同位置處的位移損傷造成器件漏端電流變化，prob是入射粒子打到器件不同位置的概率，根據(jù)該計(jì)算公式，得到入射粒子位移損傷造成器件漏端電流的變化量Ids，從而估算出CMOS器件在輻射環(huán)境中的位移損傷。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，利用蒙特卡羅的方法按照高斯分布隨機(jī)生 成入射粒子。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，利用單粒子打入器件源、漏端引起的有效柵 壓和漏壓減小變化值，得到位移損傷造成器件漏端電流變化easel。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，利用單粒子打入器件溝道區(qū)的摻雜濃度和 遷移率變化值，得到位移損傷造成器件漏端電流變化case2。
5. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，當(dāng)入射粒子打到器件隔離區(qū)時(shí)，位移損傷只 造成NM0S器件漏端電流變化，而對(duì)PM0S器件無影響。
6. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，入射粒子打到器件源、漏端處的prob為 0. 4 0. 6 ;入射粒子打到器件溝道區(qū)處的prob為0 0. 2 ;入射粒子打到器件隔離區(qū)處的 prob為0 0. 3。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種CMOS器件的輻照位移損傷的估算方法，屬于涉及CMOS器件的輻照位移損傷技術(shù)領(lǐng)域。該方法包括根據(jù)入射粒子打到器件源漏端、溝道區(qū)和隔離區(qū)三個(gè)不同位置，建立一計(jì)算公式Ids＝prob1×case1+prob2×case2+prob3×case3，其中，case是入射粒子打到器件不同位置處的位移損傷造成器件漏端電流變化，prob是入射粒子打到器件不同位置的概率，根據(jù)該計(jì)算公式，得到入射粒子位移損傷造成器件漏端電流的變化量Ids，從而估算出CMOS器件在輻射環(huán)境中的位移損傷。利用本發(fā)明能夠準(zhǔn)確地估算出器件和集成電路在輻射環(huán)境中的位移損傷效應(yīng)。
文檔編號(hào)H01L21/8238GK101763446SQ20091024315
公開日2010年6月30日 申請(qǐng)日期2009年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月30日
發(fā)明者張興, 王思浩, 薛守斌, 黃如 申請(qǐng)人:北京大學(xué)