碳纳米管场效应晶体管重离子单粒子效应研究

翟培卓，王印权，徐何军，郑若成，朱少立

（中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏 无锡 214035）

0 引言

核科学和空间科学的发展对集成电路适应复杂的辐射环境提出越来越高的要求[1]。尽管传统的Si 基半导体器件可以采取FinFET[2-4]、SOI[5-6]等技术获得一定的抗辐射性能，但仍无法在极端核辐射环境（如核爆、深空探测等）中正常工作。同时，随着Si 基器件的特征尺寸不断减小，Si 基集成电路目前已接近物理极限[7]。为了提高器件的抗辐射性能并延续摩尔定律，研究人员不断尝试新型材料，如金刚石[8-9]、石墨烯[10-11]、MoS2[12-13]、碳纳米管（CNT）[14-15]等，以寻求技术突破。其中，CNT 自1991 年被发现以来，就成为最具有潜力替代Si 的半导体材料之一[16]。基于CNT 的碳基信息器件具有众多优势：CNT 是准一维材料，载流子平均自由程长、迁移率高，因此碳基器件电学性能良好[17-18]；CNT 碳原子之间为sp2杂化，化学性质稳定，碳基器件对恶劣环境耐受力强，具有优良的抗辐射性能[19-20]。文献[19]以CNT 作为沟道材料，离子凝胶作为栅极，聚酰亚胺作为衬底，报道了CNT 场效应晶体管（CNT FET）在560 rad/s 的剂量率下表现出高达4 Mrad(Si)的总剂量辐射耐受性，指出可以通过低温退火和重新印刷离子凝胶来修复辐照损伤。此外，文献[21]对分离的悬浮单壁CNT FET 进行了原位探测，并用50 MeV的质子和10 MeV 的Xe 离子对其施加辐射，首次观察到了CNT FET 的单粒子效应。

目前对于CNT FET 的研究尚处于初级阶段，其抗辐射性能仍缺乏充足的试验验证。本研究以CNT FET为研究对象，利用地面粒子加速器装置，对209Bi 重离子辐射引起的器件单粒子效应进行了深入研究，为后续碳基器件的抗辐射加固发展提供支撑。

1 器件结构及试验方法

1.1 CNT FET 结构

在本研究中，采用背栅CNT FET 作为研究对象，其栅宽为100 μm，栅长为10 μm。图1 为该器件的剖面示意图。图1 中衬底材料为Si，栅极金属材料为Ti/Au，栅介质层材料为HfO2，源极和漏极金属材料为Ti/Pb/Au，P 型和N 型CNT FET 钝化层材料分别为SiO2和AlN。首先，在Si 衬底上采用热氧化形成厚约为300 nm 的SiO2层；然后，采用电子束蒸镀制作厚约为40 nm 的Ti/Au 栅极金属；之后，采用原子层淀积（ALD）制作厚约10 nm 的HfO2栅介质层，并涂覆CNT 膜层（CNT 纯度在99.999%以上，密度为15～30 根/μm）；随后，采用电子束蒸镀制作厚约40 nm 的Ti/Pb/Au 源极和漏极金属，并用电子束蒸镀和热氧化的方法覆盖厚约3 nm 的Y2O3层；最后，采用ALD 制作厚约3 nm 的P 型CNT FET 的SiO2钝化层和N 型CNT FET 的AlN 钝化层。

图1 背栅CNT FET 剖面示意图

1.2 单粒子试验方法

单粒子试验辐射源选用哈尔滨工业大学的SESRI 300 MeV 质子/重离子同步加速器，利用209Bi 离子垂直照射CNT FET。209Bi 离子能量为900 MeV，平均注量率为1.2×104cm-2·s-1，经30 mm 空气层降能后，垂直入射条件下的LET 值为99.8 MeV·cm2·mg-1，硅中射程为52.7 μm。

单粒子试验系统如图2 所示，在单粒子辐射前，先将待测器件固定到测试板上，利用源表在各端施加电压偏置，并通过计算机采集器件在辐射前后栅极、漏极的电流数值，当离子注量达1×106cm-2时停止试验。辐射过程的CNTFET 电压偏置设置如表1 所示。

表1 辐射过程的CNT FET 电压偏置

图2 单粒子试验系统

2 分析与讨论

2.1 N 型CNT FET 的单粒子效应分析

不同偏置条件下，N 型CNT FET 在辐射前后的栅极电流和漏极电流曲线如图3 所示。从图中可以看出，未进行辐射时，N 型CNT FET 栅极电流均基本稳定，保持微小波动，无电流突变；而漏极电流呈现波动式下降趋势。在开始辐射之后，栅极电流会因单粒子辐射产生电流突变，发生单粒子瞬态效应，在注量为106cm-2的条件下会出现大约3 次电流突变，此外，栅极电流基本保持平稳，说明未发生单粒子栅穿效应（SEGR）；漏极电流依然保持波动式下降趋势，且趋势与未进行辐射时一致，可以认为也未发生单粒子烧毁效应（SEB）。

图3 不同偏置条件下N 型CNT FET 的栅极电流和漏极电流曲线

尽管N 型CNT FET 在关态下，栅极和漏极电压差从2 V 增加到4 V，栅极和漏极之间的电场强度增大，但栅极单粒子瞬态电流基本处于10-11A 数量级，少数达到10-10A 数量级；漏极电流在辐射前后的电流波动变化并不大，且单粒子射入瞬间并没有引起类似栅极电流一般明显的电流峰值，漏极电流对单粒子入射并不敏感。

2.2 P 型CNT FET 的单粒子效应分析

不同偏置条件下，P 型CNT FET 在辐射前后的栅极电流和漏极电流曲线如图4 所示。从图中可以看出，未进行辐射时，P 型CNT FET 栅极电流均基本稳定，保持微小波动，无电流突变；开始辐射之后，栅极电流会因单粒子辐射产生电流突变，发生单粒子瞬态效应，在注量为106cm-2的条件下出现2～6 次电流突变，此外，栅极电流基本保持平稳，说明未发生SEGR。在辐射前后，漏极电流依然保持原有的变化趋势，未发生突变，可以认为未发生SEB。

图4 不同偏置条件下P 型CNT FET 栅极电流和漏极电流曲线

与N 型CNT FET 相似，P 型CNT FET 栅极单粒子瞬态电流基本处于10-11A 数量级，少数达到10-10A数量级；漏极电流在辐射前后的电流波动变化并不大，且单粒子射入瞬间并没有引起类似栅极电流一样明显的电流峰值。

2.3 CNT FET 的单粒子效应机理分析

在辐射前后N 型和P 型CNT FET 的转移特性曲线如图5 所示。从图中可以看出，辐射前后器件功能均正常且转移特性曲线几乎重合。利用跨导法可计算出N 型和P 型CNT FET 的阈值分别为0.9 V 和-0.6 V，且辐射前后阈值均未发生变化。入射粒子穿过CNT FET 时的单粒子效应示意图见图6。

图5 辐射前后CNT FET 的转移特性曲线

在高能束209Bi 离子穿过CNT FET 的过程中，粒子在入射路径上会沿着CNT 沟道、栅介质层和SiO2层撞击产生电子空穴对（e-h 对）。而在沟道空间内，由单粒子辐射产生的e-h 对在外电场作用下作漂移运动，从而产生强瞬时电势，这往往会造成漏极电流瞬时增大甚至器件烧毁的现象，即发生SEB。上述现象在具有较大沟道体积的硅基器件（如体硅）中较为明显，但在本研究中并不明显。这是由于CNT FET 具有纳米级超薄沟道，相比于体硅器件，粒子穿过CNT FET 沟道产生的e-h 对较少，表现出CNT FET 沟道对单粒子效应不敏感，带来的电势及电流的影响几乎可以忽略，因此在本研究中，即使漏极电压达到器件工作电压的2 倍，漏极电流也几乎不受单粒子影响，也没有发生SEB。

此外，高能209Bi 离子通过栅介质层时，产生的e-h对在栅极电压偏置条件下产生分离和漂移，电子或空穴在外置电场的作用下移动并聚集到CNT/栅介质层的界面处，从而在栅介质层中产生一个附加瞬时电场和瞬时强电流。当附加瞬时电场与稳态电场叠加超过栅介质层的击穿电场时，栅介质层将被击穿，使器件失效，即发生SEGR；而瞬时强电流则表现为栅极电流突变，形成电流尖峰。由文献[22]可知，采用ALD 制作的HfO2介质层的临界击穿电压为5.4 MV/cm，对于本研究所用厚度为10 nm 的栅介质而言，电压要大于5.4 V 才会发生击穿。因此，该CNT FET 的栅介质层具有较强的抗电场击穿的能力。

对于CNT FET 而言，栅介质层为高介电常数材料HfO2，根据文献[23]可知，该介质的相对介电常数kHfO2=25，是传统SiO2介质层（kSiO2=3.9）的6 倍多。等效氧化层厚度（aEOT）为

式中，THfO2为HfO2栅介质层厚度。通过式（1）算得等效氧化层厚度为64.1 nm。较大的等效氧化层厚度有效避免了栅介质的隧穿效应，从而控制常态时栅极漏电流在1×10-11A 以内。同时栅介质层真实物理厚度较小，单粒子穿过栅介质层所产生的e-h 对数量有限。所以CNTFET 栅极单粒子瞬态电流也较弱，不超过2×10-10A，说明CNT FET 对SEGR 不敏感。

3 结论

针对以超薄CNT 为沟道材料、HfO2为栅介质层的CNT FET，本文研究了209Bi 重离子辐射时器件的单粒子效应。研究发现，无论是N 型还是P 型的CNT FET，在重离子辐射条件下，栅极单粒子瞬态电流大多处于10-11A 数量级，少数达10-10A 数量级。同时，由于CNT FET 具有纳米级超薄CNT 沟道，未发现SEB，受单粒子影响的漏极瞬态电流几乎可以忽略。另外，得益于HfO2栅介质层，CNT FET 具有较强的抗SEGR能力，与N 型或P 型CNT FET 无关。