SOI抗总剂量辐射加固工艺栅氧可靠性研究

高向东，吴建伟，刘国柱，周 淼

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏 无锡 214035）

1 介绍

绝缘体上硅（SOI）由于其采用全介质隔离技术，相对于体硅工艺具有集成度高、速度快、抗干扰能力强的特点[1]，同时彻底消除了体硅CMOS工艺的闩锁（latch-up）效应，具有非常好的抗软失效、瞬时辐照和单粒子翻转能力[2～3]，在抗辐射应用领域有着广阔前景。由于埋层二氧化硅（BOX）的存在，使得SOI器件在总剂量辐照效应上比体硅差。为了改善SOI CMOS器件抗总剂量辐射能力，采用加固工艺的部分耗尽SOI CMOS技术能够达到非常高的水平[4～10]。我们采用了埋层二氧化硅抗总剂量辐射加固工艺技术，能够使SOI CMOS器件抗总剂量辐射能力达到1Mrad（Si）。如图1所示：（a）表示未采用抗总剂量加固工艺的SOI NMOS器件在辐射条件下的前栅转移特性曲线；（b）表示采用抗总剂量加固工艺的SOI NMOS器件在辐射条件下的前栅转移特性曲线。

图1 是否采用抗总剂量辐射工艺的SOI器件辐射前栅转移曲线

为了研究并提高抗辐射SOI CMOS器件的寿命，改善电路的可靠性，我们采用QBD（击穿电荷量）对比了干氧化工艺和湿氧工艺的氧化层质量，确定采用氧化层质量相对更好的湿氧工艺。用斜阶法对栅氧击穿电压进行了分析，最后采用恒压应力对未采用抗总剂量加固和采用抗总剂量加固工艺的栅氧层质量进行评估，抗总剂量辐射加固工艺的栅氧在正常工作电压下的寿命。

2 栅氧可靠性结构

在我们的研究中，采用了PCM（process control measurement）测试版图中，由n-well（n阱）、栅氧、多晶硅所组成的栅氧电容结构如图2所示，电容面积为90μm×300μm。

图2 栅氧电容测试结构图

栅氧电容结构主要形成的工艺步骤如图3所示：（a）在SOI衬底材料片：Top-Si（顶层硅）=220nm，BOX（埋层二氧化硅）=400nm，RH抗总剂量辐射加固的埋层二氧化硅；（b）通过一次氧化（pad oxide）和一次氮化硅工艺（SiN），接着光刻有源区，腐蚀氮化硅后，定义形成场区部分，如图中（c）所示；进行场氧化形成FOX场氧区域，去掉氮化硅材料，然后进行离子注入形成n阱，形成电容测试结构下电极，如图中（d）所示；12.5nm栅氧化层生长，多晶硅淀积、多晶硅掺杂形成n+多晶硅，通过多晶硅光刻、腐蚀形成多晶硅栅，作为电容测试结构的上电极，淀积LP SiO2350nm，通过各向异性腐蚀形成侧墙（spacer），如图中（e）所示；通过离子注入工艺形成n+重掺杂区，用于电学连接，如图中（f）所示；完成PMD（金属前介质淀积）和接触孔光刻、腐蚀，形成用于连接n+重掺杂区和金属布线的接触孔，如图中（g）所示；最后淀积金属，并进行金属光刻、腐蚀后，形成金属布线层，合金后完成多晶硅栅和n-well区域的连接，如图中（h）所示。形成完整的栅氧电容测试结构，以下的测试结果将基于此结构进行测试分析。

图3 栅氧电容结构工艺流程简图

3 实验与结果

3.1 干氧与湿氧工艺栅氧质量比较

CMOS工艺对栅氧化层的厚度及氧化层质量有很高的要求，通常采用干氧和湿氧氧化方式，氧化温度通常选择850℃～950℃，同时在氧化过程中加入掺氯氧化工艺以减少栅氧层中的可动离子、提高氧化层质量。干氧氧化采用氧气与硅反应，如反应式（1）所示；湿氧氧化采用氢气与氧气反应形成水蒸气，利用水蒸气与硅反应，如反应式（2）所示。

通过上述两种工艺方法，我们制作了两种12.5nm栅氧电容样品，通过击穿电荷量QBD测试，如图4所示，图中干氧氧化累计失效＞80%，QBD＞22C·cm-2，相对的湿氧氧化累计失效＞80%时，QBD＞28C·cm-2。从表1可知干湿氧工艺的平均击穿电场均达到了氧化层的本征击穿，图5所示为干湿氧工艺的VBD-η。

图4 常规栅氧（干、湿氧）工艺的QBD-η

图5 常规栅氧（干、湿氧）工艺的VBD-η

表1 常规栅氧工艺累计失效率及平均击穿电场

3.2 抗辐射加固工艺的栅氧质量

从上述栅氧工艺可靠性表征结果可见，湿氧工艺的栅氧可靠性明显优于干氧工艺。因此，采用干氧化工艺来考察加固工艺对栅氧TDDB可靠性的影响更显著。由图6、7可知，因加固工艺诱导栅氧层结构中的缺陷产生，在同等的应力作用下（恒定电压14.5V～15V和常温度），加固工艺栅氧的经时击穿时间tBD较常规工艺栅氧偏低约103s。如表2所示，加固工艺栅氧的平均击穿电场EBD较未加固工艺栅氧略低。

图6 加固工艺对栅氧tBD的影响

图7 加固工艺与未加固工艺的栅氧击穿电压

表2 加固栅氧工艺tBD和击穿电场

如图8（a）中所示，采用加固工艺样品的栅氧击穿时间与电场应力强度之间的关系采用weibull分布进行统计，取62.3%作为分布中心值；图8（b）中表示加固工艺样品的栅氧击穿时间与电场应力强度之间的关系。图9将这两个分布图中的中心值和电场应力强度做散点图，采用指数模型进行拟合，这两种工艺的栅氧击穿时间与电场应力强度之间呈指数线性关系。通过模型倒推12.5nm栅氧在5.5V工作，即电场应力在4.4MV·cm-1情况下的工作时间，我们能够得到未加固工艺样品栅氧寿命和加固工艺样品栅氧寿命时间均远大于10年。

图8 栅氧击穿时间与电场应力的分布关系图

图9 栅氧击穿时间随电场应力的变化关系

4 讨论

由于SOI材料与单晶硅材料存在一个特殊的埋层二氧化硅，抗总剂量辐射加固工艺针对埋层二氧化硅进行材料改性，在顶层硅中引入缺陷。我们利用栅氧层击穿电压、击穿电荷和恒压法测试相关介质击穿等介质可靠性的研究，发现抗总剂量辐射加固工艺对栅氧质量存在影响。后续将针对不同SOI材料、栅氧电容结构、栅氧厚度和不同温度展开研究，减少抗总剂量加固工艺在顶层硅中引入缺陷，提高栅氧介质可靠性。

5 结论

本文对干氧和湿氧两种工艺方法制作的栅氧质量进行评估，12.5nm干氧氧化的栅氧质量要劣于湿氧氧化。采用干氧氧化工艺对抗总剂量辐射加固工艺的SOI栅氧层可靠性进行对比评估，由于加固工艺诱导栅氧层结构中的缺陷产生，在同等的应力作用下（恒定电压14.5V～15V和常温情况），加固工艺栅氧的经时击穿时间tBD低于常规工艺栅氧。加固工艺栅氧的平均击穿电场EBD较常规工艺栅氧略低，达到氧化层本征击穿。并通过模型外推的方法得到抗辐射加固工艺栅氧的TDDB寿命能够充分满足SOI CMOS器件10年工作寿命的要求。

[1] Auberton-Herve A J.SOI: materials to systems[J].IEEE International Electron Device Meeting Technical Digest,1996:3.

[2] Brady F T, S cott T, Brown R, et al. Fully-depleted submicron SOI for radiation hardened application[J]. IEEE Trans Nucl Sci, 1994, 41:2304.

[3] Hatano H. Radiation hardened high performance CMOS VlSI circuit design[J].IEEE Proceedings-G, 1992, 139:287.

[4] Zhang Guoqiang, Liu Zhongli, Li Ning, et al. Influence of fluorine on radiation-induced charge trapping in the SIMOX buried oxides[J]. Proceeding of 7th International Conference on Solid-State and Integrated Circuits Technology, 2004, 2:847.

[5] Hughes H, McMarr P. Radiation-hardening of SOI by ion implantation into the buried oxide[P].US Patent.No.5795813.

[6] White M H, Adams D A, Murray J R, et al. Characterization of scaled SONOS EEPROM memory devices for space and military systems[P]. Non-Volatile Memory Technology Symposium, 2004:51

[7] Wu Jun-feng, Zhong Xing-hua, Li Duo-li. Improved breakdown voltage of partially depleted SOI nMOSFETs with half-backchannel implantation[J]. Chinese Journal of Semiconductors, 2005, 26(10):1875.

[8] Ohno T, Izumi K, Shimaya M, et al. CMOS/SIMOX devices having a radiation hardness of 2Mrad(Si)[J]. Electron Lett,1987, 23:141.

[9] Liu S T, Jenkins W C, Hughes H L. Total dose radiation hard 0.35μm SOI CMOS technology[J]. IEEE Trans Nucl Sci, 1990, 37:2013.