总电离剂量对MOSFET的影响

[音乐播放] 大家好。 我叫 Rob Baumann，是高可靠性方面的 首席技术专家。 如果在观看本视频之后，您想了解有关 TI 航天 产品的更多信息，请访问 ti.com/space。 感谢您的观看。 在本次讲座中，我们将讨论电离辐射 总剂量及其对 MOSFET 的影响。 好的，基本而言，电离辐射总剂量 机制与氧化层中的空穴捕获有关。 这是影响 MOSFET 的主要模式。 还会创建界面态。 那么，为了方便每个人理解， 这是金属氧化物半导体结构的能带图。 那么，左侧是栅极电极， 中间是栅极氧化层，然后 右侧是硅界面 和硅基片。 那么，很显然，在水平维度， 我们将讨论器件在垂直方向的深度或 线性程度。 在垂直方向，当我们在垂直 方向上行时，我们具有能量， 这是电子能，因此我们施加正栅极 电压，该电压将栅极向下拉， 我们具有该跨越氧化层的斜坡或 跨越氧化层的电场。 这意味着传导带中的任何电子 都将跑下该斜坡，并被栅极收集。 电子再次被吸引到正栅极电压。 空穴或带正电的缺陷将以互补 方式朝相反方向运动， 就像气泡一样朝斜坡上方漂浮，如果您愿意的话。 现在，当这些器件接触到辐射时， 所吸收的任何辐射都会制造电子空穴对。 因此空穴态和电子会分离， 当然，它们沿着相反的 方向加速。 现在，栅极氧化层的一个特性使它们 对总剂量效应尤其敏感， 这就是电子移动性或其 移动效率远高于空穴。 因此，在存在电场的情况下， 传导带中的电子很快地 移动，从而在整个栅极 氧化层中分布多个空穴。 现在，它们并不是完全固定的，但 它们以跳跃机制缓慢地移动，如这些 绿色箭头所示。 因此它们实际上将陷入低能级陷阱中 -- 低能级 意味着低能量陷阱 --刚好沿着价带边缘， 它们以跳跃的移动方式，从一个陷阱 移动到另一个陷阱，移向界面。 我们再次得到正栅极电压。 因此，如果您愿意的话，这会将这些空穴向上推。 现在，因为这些陷阱中通常 束缚有氢或质子，因此当空穴移动 到陷阱中时，它会释放一些氢。 因此，实际上，我们具有双重 空穴向右移动的效应，当它们释放 质子或氢离子时，这些氢离子也会由电场 进行加速，向右移动。 现在，这两个粒子具有两种不同的 行为，从而以不同的方式影响器件。 一旦空穴接近界面， 就会有大量所谓的深能级陷阱。 这些是处于带隙 中间的陷阱。 因此，栅极氧化层中的带隙是价带 和传导带之间的距离， 这些深能级陷阱，所谓的 深能级陷阱恰好位于带隙中间。 因此空穴向下移向界面，然后 被捕获在栅极氧化层中。 因此，这是准静止种类的 捕获状态，因此空穴 被不捕获在栅极氧化层中， 不再自由移动。 按照类似的方式，质子输送会继续， 直到质子到达界面，此时它们 实际上生成所谓的界面态 缺陷，它们可能会带正电、带负电 或为中性，具体取决于缺陷的类型。 现在，这些对于双极结型晶体管 尤其重要，而对MOSFET 不那么重要。 正如我们将看到的，它实际上是正电荷 捕获，会支配大多数 MOSFET 行为。 好的，在图的左侧， 我基本上显示了一个NMO 或 n 沟道器件。 因此，请记住，这基本上是 我们针对源级和漏级使用 n 型材料的情况。 n 型材料是负极或富电子 材料的简称，因为我们记得， 电子带负电。 沟道区 --在该状态下， 它是关闭的 --是 P 型或正极， 因此我们有一些空穴。 现在，直到我们在沟道中获得一些电子， 我们才会实现任何导通。 在典型的NMOS 操作中， 我们施加正栅极电压，然后，正如您看到的， 我们反转表面层， 由于栅极下的场效应，我们 获得高浓度电子。 现在，这些高浓度电子 有效地将源极连接到漏极， 我们获得很大的导通，晶体管打开， 好的，沟道导通。 现在，当器件发生总剂量类型接触时， 我们将得到很多辐射粒子，在这里用黄色箭头进行了指示。 您将注意到每次黄色箭头横切 氧化层时，我们就会 生成正电荷。 再说一次，这是界面附近的孔穴陷阱，被捕获在深能级 陷阱中。 您可以看到，孔穴效应 将吸引更多电子。 或者您可以考虑它，它就像 您已经稍微施加了正栅极电压。 实际上，在非常糟糕的情况下， 您生成了数量巨大的电荷， 您可以关闭栅极电压。 因此我们只需关闭栅极电压， 保留沟道。 因此，这是一个泄漏电流很大的晶体管。 因此终端沟道仍是打开的，即使我们已关闭栅极 也是如此。 与此相关的海报基本是位于右侧的 图片，其中显示了一个漏水的水龙头。 因此，实际上，电离辐射总电荷会生成一个泄漏的 NMOS 晶体管。 基本而言，该晶体管会变得越来越难以关闭， 随着您继续增加剂量接触， 您会得到越来越多的电荷， 最终，该晶体管不再工作。 现在，CMOS 组合了互补的NMOS 和 PMOS 器件。 因此，如你所想，由于 PMOS 是对 NMOS 器件的补充或与其相反，因此， 正如我们说过的，总剂量效应是相反的。 因此，我不打算讨论整个系列的幻灯片， 因为我们以前已经讨论过，但我想展示，在这种情况下， 漏级和源极是正极或空穴类型的材料， N 基片当然带负电或 具有大量电子。 如果我们想创建沟道，换句话说， 如果我们想打开该器件， 我们基本上必须施加负栅极电压， 吸引一些空穴，从而连接源区和漏区。 不幸的是，这里存在的正电荷 将有效地关闭我们的 PMOS。 因此我们的 PMOS晶体管或 P 沟道 实际上会保持关闭，即使栅极电压接地 也是如此，这对于PMOS 是打开状态。 因此，这会受到辐射，我们无法打开晶体管。 因此您可以将PMOS 晶体管上的 电离辐射总剂量电荷效应比作一个 生锈的水龙头。 基本而言，它会变得越来越难以 使任何电流流动，直到晶体管最终 不再工作。 好的。 因此，在 CMOS 中，正如我说过的，我们有一个 n 沟道器件和 一个 p 沟道器件。 再说一次，p 沟道器件会变得更加难以打开， 因此它将变得泄漏更少的剂量， 而 n 沟道变得越来越泄漏。 嗯，我没有具体讲过泄漏是 从哪儿来的。 在我在之前的幻灯片中讲过的示例中，我们 讨论了源区和漏区 之间的中间沟道导通。 但是，正如您可以在该图中看到的， 电荷可以通过其他两个路径泄漏。 实际上，如果绝缘层变得 带电，那么在这里，两个 晶体管之间的隔离层或绝缘层是所谓的浅沟 隔离。 这是两种类型之一，我将在后面的幻灯片中讨论 这两种类型。 但该红色区域具有很大的量， 您可以捕获大量的电荷，然后它们在电场下 可以在沟道的边缘或刚好在 沟道的旁边积累。 因此您得到潜在的沿着 3 的泄漏路径， 以及隔离层下通向 n 阱的泄漏 路径，如泄漏路径 2 中所示。 那么 IV 看起来是什么样子的？ 嗯，这是一个 n 沟道 IV。 蓝色的曲线表示 n 沟道本身， 假设不存在隔离泄漏。 因此这里的第一条曲线 PRERAD，蓝色曲线， 是典型的NMOS 特征。 我们将栅极-源极电压调为正电压， 我们在沟道中吸引电子，然后 我们连接源极和漏极并获得 高导通状态。 现在，一旦我们对器件进行辐照， 我们会再次生成正电荷， 因此阈值电压下降。 您可以看到曲线移向左侧。 这是预期行为，它意味着晶体管 开始泄漏或其更容易打开。 对于较小的栅极电压，您会获得 相同量的导通。 在现代晶体管中-- 现代指低于 100 纳米、100埃或 200 埃 厚度的栅极氧化层 -- 该效应 是最低的。 因此，对于大多数应用，VT 漂移几乎可以忽略。 现在机制 2 和 3中泄漏变得很重要， 这些机制由绿色曲线进行定义。 这是隔离泄漏，因此它是由 隔离上的该重叠栅极 导致的寄生晶体管，可以打开隔离泄漏。 在存在辐射的情况下，该曲线会向左移动。 因此该绿色曲线，在没有辐射的情况下， 只有达到 8 伏才会打开，对于 该特定的技术，将是很好的隔离。 不过，一旦我们使其接触辐射， 正电荷就会被捕获，在 NMOS 区域，您将获得极大量的泄漏。 您将注意到，该隔离泄漏，假设处于 0 伏， 在正常情况下-- 我们再次看看 这里的蓝色曲线 -- 该 NMOS 晶体管的泄漏大约为 5 或 6 皮安。 不过，由于辐射之后的隔离泄漏， 我们处于微安范围内。 因此几乎是六个数量级的泄漏。 这实际上可能会为器件带来灾难， 因为 IDDQ 会增加到超标， 而您将失去功能。 因此，总剂量实际损坏 CMOS 器件，至少是现代器件的 主要途径是通过机制 3 或 2，此时 隔离泄漏起主导作用，由于电流规格 或实际电流功能，我们基本上会失败。 请注意，我提到过浅沟隔离，但我 没有提到另一种类型。 有两种类型的隔离。 第一种比较成熟，是局部 场氧化或针对局域 场氧化的 LOCOS。 这基本上是已生长的氧化层，它具有非常 独特的形状。 因为硅在氧化层生长时会被消耗， 因此您会对氧化层进行一定深度的渗透， 但氧化层还会升高到硅层以上。 问题就在这里，在氧化层的边缘， 存在一个所谓的鸟嘴区域，该区域 集中了电场，实际上会在 该区域捕获大量 电荷或积累大量正电荷。 猜猜会怎么样？ 由于您在这里积累了大量正电荷， 您将影响下面的硅 基片并导致在隔离的边缘 产生泄漏沟道。 事实上，这是局部场氧化 或 LOCOS，所谓的LOCOS 的最大故障模式。 现在，我提到过的另一种类型的隔离， 它在现代技术中更常见。 这是浅沟隔离。 基本而言，这是不同的。 它不是已生长的氧化层。 基本而言，我们在晶体管之间挖一个 条，以隔离它们，然后 我们使用氧化层和其他电介质回填沟。 现在，这还可能在边缘存在问题。 如果电场线过于集中或 依赖于层，所使用的 不同层，您可能会积累电荷。 因此，使用 STI不能保证性能。 但正如您将在右侧的图中看到的 -- 这是一篇来自Sandia 的论文 -- 他们 采用了一些或多种商业 技术并对其进行了总剂量测试。 他们按照LOCOS、该局部 氧化类型和浅沟隔离对这些技术 进行了划分。 很显然，浅沟隔离对总剂量 性能具有很大的帮助。 因此黄色的线向我们展示了大约 100 k -- 或者黄色区域低于 100 krad。 正如这里所说的，100 krad对于大多数航天应用而言 是很好的，甚至是 50 krad。 但在某些情况下，LOCOS很难达到 10 krad 以上， 正如您从这些较低的点中看到的。 一旦您转向浅沟隔离， 您通常会达到几百 krad。 现在，我应该提到，这些也是较低的 电压技术。 您可以从原始的能带 图和有关电离辐射总剂量的讨论中回想起， 电场对于定义该效应而言 很重要。 因此，如果我们具有更高的电压部分， 它将对总剂量更加敏感，因为 它可以移动其中的更多电荷。 好的。 最后，正如我们提到过的，在行为与正栅极电压相似的 氧化层中，该效应的 主要推动因素是空穴、正电荷捕获。 NMOS 变得更加泄漏 -- 换句话说，打开它所需的栅极电压更小 -- 而 PMOS 变得更难以打开， 打开它所需的栅极电压更大。 从根本上讲，之所以产生 功能故障，是因为 NMOS开始越来越泄露，最终， 您的电流规格失败，或者在极端 情况下，您的功能不起作用。 正如我们看到的，泄漏来自栅极氧化层， 直接栅极氧化层，因此源极和栅极 之间的沟道区变得泄漏，以及隔离泄漏。 正如我说过的，在高级 CMOS 技术中， 氧化层厚度不超过 200 埃， 在如此小的厚度中不会 积累足够的电荷。 因此，基本而言，隔离泄漏起主导作用。 因此，再说一次，我们曾讨论的 浅沟隔离或LOCOS 隔离会收集 更多的电荷，然后将其集中在某些 高电场区，基本而言， 隔离泄漏是主要故障机制。 根据经验，对于总剂量， 浅沟隔离通常比 LOCOS更加可靠，至少在低 Vdd 下 是这样。