γ射线总剂量辐照效应对应变si pmosfet阈值电压与跨导的影响研究

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1、γ射线总剂量辐照效应对应变SiPMOSFET阈值电压与跨导的影响研究*胡辉勇刘翔宇†连永昌张鹤鸣宋建军宣荣喜舒斌（西安电子科技大学微电子学院，宽禁带半导体材料与器件重点实验室，西安，710071）基金:教育部博士点基金(No.JY0300122503)和中央高校基本业务费（No.K5051225014K5051225004）资助†通讯作者.E-mail:18537831656@163.com电话：18537831656摘要:论文重点分析了双轴应变SiPMOFET在γ射线辐照下载流子的微观输运过程，揭示了γ射线的作用机制及器件电学特性随辐照总剂量的演化规律

2、，建立了总剂量辐照条件下的双轴应变SiPMOSFET阈值电压与跨导等电学特性模型，并对其进行了模拟仿真。由仿真结果可知，阈值电压的绝对值会随着辐照总剂量的积累而增加，辐照总剂量较低时阈值电压的变化与总剂量基本呈线性关系，高剂量时趋于饱和；另外辐照产生的陷阱电荷增加了沟道区载流子之间的碰撞概率，导致了沟道载流子迁移率的退化以及跨导的降低。在此基础上，进行实验验证，测试结果表明实验数据与仿真结果基本吻合，为双轴应变SiPMOSFET辐照可靠性的研究和应变集成电路的应用与推广提供了理论依据和实践基础。关键词：应变SiPMOSFET总剂量辐照阈值电压跨导PACS

3、：61.80.Ed，73.50.Dn，85.30.TV1．引言随着微电子技术的发展，以CMOS技术为主导的集成电路技术已经进入了纳米尺度，使基于“等比例缩小”原则一直遵循着“摩尔定理”发展的集成电路技术受到了极大的挑战，成为制约集成电路发展的瓶颈问题。而应变Si材料具有高载流子迁移率高，带隙可调，与传统的Si工艺兼容等优点，成为延续集成电路按“摩尔定律”发展的有效途径和研究热点[1-4]。随着应变技术的快速发展，应变集成器件及电路在极端条件尤其是辐照条件下的应用将会越来越多，因此辐照特性及加固技术是其应用研究的一个重点[5]。本文将重点开展不同总剂量γ射

4、线辐照对双轴应变SiPMOSFET电学特性影响的研究[6]，建立其电学特性模型，并通过实验进行验证。为研究双轴应变SiPMOSFET辐照可靠性提供理论和实践基础[7]。2．模型建立本文采用西安电子科技大学设计并制备的双轴应变SiPMOSFET作为研究对象，重点研究γ射线辐照效应对其电学特性的影响，器件结构如图1所示。图1中，器件从下往上层结构分别为：Si衬底上生长的组分渐变SiGe层，Ge的组分为0-0.3，厚度为2μm，掺杂浓度为Nb=1.5*1016cm-3；固定组分弛豫SiGe层，Ge组分为0.3，厚度为300nm，掺杂浓度为Nb=1.5*1016

5、cm-3；应变Si层，厚度为10nm，掺杂浓度为Nch=1*1016cm-3。器件中采用Nch

6、形成氧化层固定电荷。而辐照产生的电子逃脱初始复合后在氧化层中移动较快可以很快迁移出氧化层。除此之外，空穴也会在氧化层中激发产生质子，质子会向Si/SiO2界面处移动，并与界面处的Si悬挂键结合形成界面陷阱，从而影响界面电荷。辐照过程中电子和空穴的输运如图3所示[9]。图3双轴应变SiPMOSFET辐照产生的载流子输运过程如图3所示的氧化层载流子输运过程中，假设辐照在氧化层中均匀产生电子空穴对，并且电子空穴对在逃脱初始复合，由于电子和空穴的迁移率的不同，只考虑空穴的迁移，同时不考虑电荷在界面处的空间电荷效应。在氧化层中可以用一维连续性方程来描述空穴的产生过

7、程，空穴和陷阱的作用过程，质子产生过程和质子和界面钝化Si悬挂键的作用过程[8]：(1)(2)(3)(4)式中，p为氧化层中的空穴浓度，t为辐照的时间，为单位体积氧化层在单位计量辐照条件下产生的电子空穴对，为辐照剂量率，为与氧化层电场相关的辐照产生的电子空穴对逃脱初次复合的几率，其经验公式[11]为，E为电场强度，为氧化层中空穴通量，x的方向从栅氧界面指向衬底，为氧化层空穴陷阱俘获的空穴浓度，为氧化层空穴陷阱浓度，氧化层陷阱的空穴俘获截面，为陷阱空穴的退火时间，为空穴引起的氧化层释放的质子浓度，为氧化层中含氢陷阱浓度，为氧化层中含氢陷阱对空穴的俘获截面为

8、氧化层中的质子通量为Si/SiO2界面处被氢钝化的Si悬挂键密度，为Si/SiO