SOI NMOSFET的60Coγ射线辐射响应推导及推导试验方法转让专利
申请号 : CN201610806351.0
文献号 : CN106353666B
文献日 : 2018-12-25
发明人 : 田浩 , 贺凌翔
申请人 : 成都天诚慧芯科技有限公司
摘要 :
本发明提供了一种SOI NMOSFET的60Coγ射线辐射响应推导及推导试验方法，在极低电场下，对同样结构和工艺条件下的两件SOI NMOSFET，一件进行X射线，另一件进行60Coγ射线辐射；对比X射线与60Coγ射线两种辐射下由氧化层陷阱电荷引起的阈值电压漂移之比提取剂量增强因子DEF；将X射线试验数据的辐照剂量水平乘以DEF，将辐照造成的阈值电压漂移量乘以因子0.7，从而得到60Coγ射线的辐射响应。该发明方案应用局限性小，ΔVth推导更准确；能够省去60Co源大量的辐射测试，从而大大降低试验成本并发挥X射线能方便快捷地提供反馈的优势，提高研发的效率。
权利要求 :
1.一种SOI NMOSFET的60Coγ射线辐射响应推导方法，具体方法为：在极低电场下，对同样结构和工艺条件下的两件SOINMOSFET，一件进行X射线辐射，另一件进行60Coγ射线辐射；
对比X射线与60Coγ射线两种辐射下由氧化层陷阱电荷引起的阈值电压漂移之比提取剂量增强因子DEF；将X射线试验数据的辐照剂量水平乘以DEF，将辐照造成的阈值电压漂移量乘以因子0.7，从而得到60Coγ射线的辐射响应；
所述极低电场为电场小于0.05MV/cm的电场强度。
2.根据权利要求1所述的辐射响应推导方法，X射线辐射源为10keV的X射线辐射源。
60
3.根据权利要求1或2所述的辐射响应推导方法，在ON偏置下，对比X射线与 Coγ射线两种辐射下ΔVot随剂量的变化关系提取剂量增强因子DEF；其中，ΔVot为氧化物陷阱电荷对阈值电压漂移的贡献值。
4.一种SOI NMOSFET的60Coγ射线辐射响应推导试验方法，具体方法为：以SOI NMOSFET
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器件在X射线和 Coγ射线辐射下，分别采用ON偏置、PG偏置和OFF偏置情况下的辐射响应数据作为分析依据，将X射线和60Coγ射线所做试验的阈值电压漂移总量进行电荷分离，得到氧化物陷阱电荷对阈值电压漂移的贡献值ΔVot和界面态对阈值电压漂移的贡献值ΔVit，进而得到ΔVot随辐射总剂量的变化关系；在ON偏置情况下，通过两种射线辐射下ΔVot随辐射总剂量的变化关系提取剂量增强因子DEF；将X射线试验数据的辐照剂量水平乘以DEF，将辐照造成的阈值电压漂移量乘以因子0.7，从而得到60Coγ射线的辐射响应；以PG偏置和OFF偏置下的实验数据为依据，验证ON偏置条件下提取的剂量增强因子的合理性，及由X射线辐射响应推导60Coγ射线辐射响应的整个推导方法准确性；
所述两种射线为X射线和60Coγ射线。
5.根据权利要求4所述的辐射响应推导试验方法，所述X射线辐射源为10keV的X射线辐射源。
6.根据权利要求4或5所述的辐射响应推导试验方法，在ON偏置下，对比X射线与60Coγ射线两种辐射下ΔVot随剂量的变化关系提取剂量增强因子DEF。
说明书 :
60
SOI NMOSFET的 Coγ射线辐射响应推导及推导试验方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种SOI NMOSFET的60Coγ射线辐射响应推导及推导试验方法，特别是涉及一种适用于半导体元器件中对SOI NMOSFET的60Coγ射线辐射响应进行推导的推导及推导试验方法。
背景技术
[0002] 长期以来，半导体元器件的总剂量电离辐射试验一直采用Co源作为辐射源。美国军方测试标准MIL-STD-883C也规定60Coγ射线为总剂量辐射测试的标准测试源。但大型Co源只能用天然放射性60Co物质，对环境危害大，辐照剂量率相对较低，辐射时间长，因而不能满足加速实验和对单个硅片级晶圆进行辐照测试的要求，不适合大规模特别是生产企业使用。
[0003] 而X射线作为辐射源却具有安全方便，剂量率控制准确且范围宽，可以进行硅片级的测试并可以在生产线上进行测试，能大大降低封装、测试、运输的成本，提高研发效率等优势，特别适合抗辐照加固筛选。
[0004] 因此，尝试利用器件X射线辐射下的辐射响应推导其在60Coγ射线辐射下响应成为了国外研究的一个方向。这种推导如果可行，不仅可以利用X射线这种更为安全便捷的辐射源进行总剂量辐射测试，而且也可以根据推导的60Co测试结果提供空间辐射评估，因而具有重要的意义。
[0005] 对于SOI NMOSFET，现有利用X射线辐射推导器件在60Coγ射线辐射下响应的两种方法：第一种方法是Schwank等人在文献中提到利用X射线在更高剂量下造成的总剂量辐射响应来估计60Coγ射线造成的响应，采用比60Co剂量值高出60％或40％的剂量值的X射线测试结果来估计。然而这种方法估计的结果比60Co造成的实际损伤要严重。此外对于不同结构、不同工艺条件下生产的器件比值是不同的，因此单纯根据简单的比例关系很难得到满意的结果。另一种方法是提高X射线辐射下SOI器件埋氧层的电场从而提高其电荷产额使得两种辐射下埋氧层积累的电荷相等。这种方法需要在X射线辐射的器件衬底添加偏置，然而添加多高的偏置却很难确定。因此，很难通过该方法估计所有偏置情况下X射线到60Coγ射线的损伤。
发明内容
[0006] 本发明要解决的技术问题是提供一种应用局限性小，推导更准确的SOI NMOSFET60
的 Coγ射线辐射响应推导及推导试验方法。
的 Coγ射线辐射响应推导及推导试验方法。
[0007] 本发明采用的技术方案如下：一种SOI NMOSFET的60Coγ射线辐射响应推导方法，具体方法为：在极低电场下，对同样结构和工艺条件下的两件SOI NMOSFET，一件进行X射线，另一件进行60Coγ射线辐射；对比X射线与60Coγ射线两种辐射下由氧化层陷阱电荷引起的阈值电压漂移之比提取剂量增强因子DEF；将X射线试验数据的辐照剂量水平乘以DEF，将辐照造成的阈值电压漂移量乘以因子0.7，从而得到60Coγ射线的辐射响应；
[0008] 所述极低电场为电场小于0.05MV/cm的电场强度。
[0009] 采用X射线作为辐射源具有安全方便，剂量率控制准确且范围宽，能够进行硅片级的测试并能够在生产线上进行测试，能够大大降低封装、测试、运输的成本，提高研发效率等优势。X射线代替Co源进行硅片级的测试能提高研发效率，特别适合抗辐照加固筛选。
[0010] 在极低电场下(<0.05MV/cm)，X射线导致的电荷产额和60Coγ射线趋于一致。这是由于极低电场下氧化层对辐射不敏感，辐射产生的绝大部分电子-空穴对都在原位重新复合，逃脱的空穴很少。该条件下X射线和60Coγ射线辐射导致的电荷产额相等，那么此时引起器件氧化层陷阱电荷量不同的唯一原因就是剂量增强效应，因而可以利用两种辐射下由氧化层陷阱电荷引起的阈值电压漂移量之比提取剂量增强因子DEF。
[0011] 所述X射线辐射源为10keV的X射线辐射源。
[0012] 在ON偏置下，对比X射线与60Coγ射线两种辐射下ΔVot随剂量的变化关系提取剂量增强因子DEF。
[0013] ON偏置下由于正栅所加偏置对埋氧层几乎没有影响，因而埋氧层内电场满足小于0.05MV/cm。因此对于ON偏置来说，可通过对比X射线与60Coγ射线ΔVot随剂量的变化关系提取剂量增强因子DEF。
[0014] 一种SOI NMOSFET的60Coγ射线辐射响应推导试验方法，具体方法为：以SOI NMOSFET器件在X射线和60Coγ射线辐射下，分别采用ON偏置、 PG偏置和OFF偏置情况下的辐射响应数据作为分析依据，将X射线和60Coγ射线所做试验的阈值电压漂移总量进行电荷分离，得到氧化物陷阱电荷对阈值电压漂移的贡献值ΔVot和界面态对阈值电压漂移的贡献值ΔVit，进而得到ΔVot随辐射总剂量的变化关系；在ON偏置情况下，通过两种射线(X射线和60Co γ射线)辐射下ΔVot随辐射总剂量的变化关系提取剂量增强因子DEF；将X射线试验数据的辐照剂量水平乘以DEF，将辐照造成的阈值电压漂移量乘以因子 0.7，从而得到60Coγ射线的辐射响应；以PG偏置和OFF偏置下的实验数据为依据，验证ON偏置条件下提取的剂量增强因子的合理性，及由X射线辐射响应推导60Coγ射线辐射响应的整个推导方法准确性；
[0015] 所述极低电场为电场小于0.05MV/cm的电场强度。
[0016] 氧化物陷阱电荷是逃脱最初复合的空穴被氧化层陷阱俘获的直接结果，进行电荷分离后，就能够排除界面态的干扰，确定氧化物电荷对阈值电压漂移的贡献。
[0017] 所述X射线辐射源为10keV的X射线辐射源。
[0018] 在ON偏置下，对比X射线与60Coγ射线两种辐射下ΔVot随剂量的变化关系提取剂量增强因子DEF。
[0019] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：应用局限性小，ΔVth推导更准确；能够省去60Co源大量的辐射测试，从而大大降低试验成本并发挥X射线能方便快捷地提供反馈的优60
势，提高研发的效率。虽然仍需进行一次 Co试验，然而只要器件结构和工艺条件不变，在此之后的60Co试验就可利用该方法通过X射线实验数据直接推导。该方法实施简单，且通过实验数据验证能达到很高的精度。试验方法的提出为X射线替代60Coγ射线进行总剂量辐射试验提供了有力支持，具有现实意义。
势，提高研发的效率。虽然仍需进行一次 Co试验，然而只要器件结构和工艺条件不变，在此之后的60Co试验就可利用该方法通过X射线实验数据直接推导。该方法实施简单，且通过实验数据验证能达到很高的精度。试验方法的提出为X射线替代60Coγ射线进行总剂量辐射试验提供了有力支持，具有现实意义。
附图说明
[0020] 图1为ON偏置下60Coγ射线辐照下氧化物电荷和界面态对SOI NMOSFET背栅阈值电压漂移的贡献值示意图。
[0021] 图2为ON偏置条件下两种辐射的ΔVot与平衡剂量之间的关系示意图。
[0022] 图3为本发明具体实施例中，在PG偏置下所验证的X射线推导的ΔVot随总剂量的变化关系与60Coγ射线曲线的比对。
[0023] 图4为本发明具体实施例中，在OFF偏置下所验证的X射线推导的ΔVot随总剂量的变化关系与60Coγ射线曲线的比对。
具体实施方式
[0024] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0025] 本说明书(包括摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
[0026] 具体实施例1
[0027] 一种SOI NMOSFET的60Coγ射线辐射响应推导方法，具体方法为：在极低电场下，对同样结构和工艺条件下的两件SOI NMOSFET，一件进行X射线，另一件进行60Coγ射线辐射；对比X射线与60Coγ射线两种辐射下由氧化层陷阱电荷引起的阈值电压漂移之比提取剂量增强因子DEF；将X射线试验数据的辐照剂量水平乘以DEF，将辐照造成的阈值电压漂移量乘以因子0.7，从而得到60Coγ射线的辐射响应；
[0028] 所述极低电场为电场小于0.05MV/cm的电场强度。
[0029] 具体实施例2
[0030] 在具体实施例1的基础上，所述X射线辐射源为10keV的X射线辐射源。
[0031] 具体实施例3
[0032] 在具体实施例1或2的基础上，在ON偏置下，对比X射线与60Coγ射线两种辐射下ΔVot随剂量的变化关系提取剂量增强因子DEF。
[0033] ON偏置下由于正栅所加偏置对埋氧层几乎没有影响，因而埋氧层内电场满足小于0.05MV/cm。因此对于ON偏置来说，可通过对比X射线与60Coγ射线ΔVot随剂量的变化关系提取剂量增强因子DEF。
[0034] 具体实施例4
[0035] 一种SOI NMOSFET的60Coγ射线辐射响应推导试验方法，具体方法为：以SOI NMOSFET器件在X射线和60Coγ射线辐射下，分别采用ON偏置、 PG偏置和OFF偏置情况下的辐60
射响应数据作为分析依据，将X射线和 Coγ射线所做试验的阈值电压漂移总量进行电荷分离，得到氧化物陷阱电荷对阈值电压漂移的贡献值ΔVot和界面态对阈值电压漂移的贡献值ΔVit，进而得到ΔVot随辐射总剂量的变化关系；在ON偏置情况下，通过两种射线(X射线和
60Co γ射线)辐射下ΔVot随辐射总剂量的变化关系提取剂量增强因子DEF；将X射线试验数
60
据的辐照剂量水平乘以DEF，将辐照造成的阈值电压漂移量乘以因子 0.7，从而得到 Coγ射线的辐射响应；以PG偏置和OFF偏置下的实验数据为依据，验证ON偏置条件下提取的剂量增强因子的合理性，及由X射线辐射响应推导60Coγ射线辐射响应的整个推导方法准确性；
射响应数据作为分析依据，将X射线和 Coγ射线所做试验的阈值电压漂移总量进行电荷分离，得到氧化物陷阱电荷对阈值电压漂移的贡献值ΔVot和界面态对阈值电压漂移的贡献值ΔVit，进而得到ΔVot随辐射总剂量的变化关系；在ON偏置情况下，通过两种射线(X射线和
60Co γ射线)辐射下ΔVot随辐射总剂量的变化关系提取剂量增强因子DEF；将X射线试验数
60
据的辐照剂量水平乘以DEF，将辐照造成的阈值电压漂移量乘以因子 0.7，从而得到 Coγ射线的辐射响应；以PG偏置和OFF偏置下的实验数据为依据，验证ON偏置条件下提取的剂量增强因子的合理性，及由X射线辐射响应推导60Coγ射线辐射响应的整个推导方法准确性；
[0036] 所述极低电场为电场小于0.05MV/cm的电场强度。
[0037] 具体实施例5
[0038] 在具体实施例4的基础上，所述X射线辐射源为10keV的X射线辐射源。
[0039] 具体实施例6
[0040] 在具体实施例4或5的基础上，在ON偏置下，对比X射线与60Coγ射线两种辐射下ΔVot随剂量的变化关系提取剂量增强因子DEF。
[0041] 具体实施例7
[0042] 在具体实施例4到6之一的基础上，实施具体实施例1的内容。
[0043] 首先对引起SOI NMOSFET背栅阈值电压漂移的埋氧化层总电荷进行电荷分离。根据对CMOS/SOI器件辐照效应研究可知，经总剂量电离辐照后，埋氧化层中辐射感生的氧化物陷阱电荷和界面态电荷都会引起晶体管背栅阈值电压漂移。对于NMOSFET，氧化物陷阱电荷的积累会使阈值电压降低，界面态的作用与氧化物电荷的作用相反，是使阈值电压增加。氧化物陷阱电荷是逃脱最初复合的空穴被氧化层陷阱俘获的直接结果，进行电荷分离后，就能够排除界面态的干扰，确定氧化物电荷对阈值电压漂移的贡献。分离辐照后MOS晶体管的氧化物陷阱电荷和界面态电荷最常用的方法是Winokur和McWhorter等人发展起来的亚
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阈I-V技术。以ON偏置条件下 Coγ射线辐照下SOI NMOSFET电荷分离的结果如图1所示。图1中X轴为辐照剂量水平，Y轴为阈值电压的漂移量，ΔVth为阈值电压漂移的总量，ΔVot为氧化物陷阱电荷对阈值电压漂移的贡献值，ΔVit为界面态对阈值电压漂移的贡献值。
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阈I-V技术。以ON偏置条件下 Coγ射线辐照下SOI NMOSFET电荷分离的结果如图1所示。图1中X轴为辐照剂量水平，Y轴为阈值电压的漂移量，ΔVth为阈值电压漂移的总量，ΔVot为氧化物陷阱电荷对阈值电压漂移的贡献值，ΔVit为界面态对阈值电压漂移的贡献值。
[0044] 由X射线和60Coγ射线对SOI器件电离辐射效应的机理分析可知，两种辐射引起的氧化层积累电荷量的不同可归结为电荷产额(空穴逃脱最初复合的比例)和剂量增强效应所致。由于剂量增强效应，X射线辐射后氧化层的吸收剂量更高，从而产生更多的电子-空穴对，然而在一定的电场条件下，产生的电子 -空穴对逃脱最初复合的比例却低于60Coγ射线。剂量增强和最初复合效应对于 X射线和60Coγ射线造成的总剂量损伤在相反的方向上起作用，剂量增强使得 X射线的辐射响应更恶劣，而最初复合效应使得60Coγ射线辐射响应的影响更严重。两种效应中究竟哪一种更占上风，对于制造工艺不同、结构不同、辐射条件不同等不同情况，其结果也不相同。因此需要分别衡量这两种效应对器件辐射响应产生的影响，进而由X射线造成的辐射响应推导60Coγ射线的辐射响应。
[0045] 在极低电场下，对比X射线与60Coγ射线两种辐射下由氧化层陷阱电荷引起的阈值电压漂移之比提取剂量增强因子DEF；将X射线试验数据的辐照剂量水平乘以DEF，将辐照造成的阈值电压漂移量乘以因子0.7，得到60Coγ射线的辐射响应。
[0046] 在极低电场下(<0.05MV/cm)，X射线导致的电荷产额和60Coγ射线趋于一致。这是由于极低电场下氧化层对辐射不敏感，辐射产生的绝大部分电子-空穴对都在原位重新复60
合，逃脱的空穴很少。该条件下X射线和 Coγ射线辐射导致的电荷产额相等，那么此时引起器件氧化层陷阱电荷量不同的唯一原因就是剂量增强效应，因而可以利用两种辐射下由氧化层陷阱电荷引起的阈值电压漂移量之比提取剂量增强因子DEF。
合，逃脱的空穴很少。该条件下X射线和 Coγ射线辐射导致的电荷产额相等，那么此时引起器件氧化层陷阱电荷量不同的唯一原因就是剂量增强效应，因而可以利用两种辐射下由氧化层陷阱电荷引起的阈值电压漂移量之比提取剂量增强因子DEF。
[0047] 在ON偏置下，对比X射线与60Coγ射线两种辐射下ΔVot随剂量的变化关系提取剂量增强因子DEF。
[0048] ON偏置下由于正栅所加偏置对埋氧层几乎没有影响，因而埋氧层内电场满足小于0.05MV/cm。因此对于ON偏置来说，可通过对比X射线与60Coγ射线ΔVot随剂量的变化关系提取剂量增强因子DEF。
[0049] 如图2所示，ON偏置条件下X射线与60Coγ射线两种辐射由埋氧层陷阱电荷引起的背栅阈值电压漂移的ΔVot与平衡剂量之间的关系的示例。示例图中得到的DEF＝1.60。
[0050] 值得注意的是，剂量增强效应是一种界面效应，只与氧化层厚度、器件结构有关，和氧化层内电场无关；而最初复合效应与电场有关，但与氧化层厚度、器件结构无关。因而对于同样的器件，在10keV X射线辐射下其剂量增强系数是不变的。
[0051] 根据ON偏置条件下，提取出的DEF＝1.60(X射线/60Coγ射线)，可以利用X射线的试60
验数据推导得出其他各种偏置条件下 Coγ射线的辐射响应。将 DEF乘以平衡剂量水平可以得到实际吸收剂量水平。在其他偏置条件下根据经验值及研究数据，X射线照射下的电荷产额约为60Coγ射线照射下的70％。因而将X射线试验数据的横坐标(辐照剂量水平)乘以DEF，再将辐照造成的阈值电压漂移量(纵坐标)乘以因子0.7，即可得到60Coγ射线的辐射响应。
验数据推导得出其他各种偏置条件下 Coγ射线的辐射响应。将 DEF乘以平衡剂量水平可以得到实际吸收剂量水平。在其他偏置条件下根据经验值及研究数据，X射线照射下的电荷产额约为60Coγ射线照射下的70％。因而将X射线试验数据的横坐标(辐照剂量水平)乘以DEF，再将辐照造成的阈值电压漂移量(纵坐标)乘以因子0.7，即可得到60Coγ射线的辐射响应。
[0052] 以PG偏置下的实验数据为例。根据剂量增强因子DEF＝1.60，则X射线在平衡剂量水平分别为55.56krad(SiO2)、0.28Mrad(SiO2)和0.56Mrad (SiO2)时的实际吸收剂量分别为88.9krad(SiO2)、0.45Mrad(SiO2)和0.9 Mrad(SiO2)。在PG偏置下，埋氧层内电场较高(>60
0.3MV/cm)，此时两种辐射下电荷产额差异明显，取X射线的电荷产额为 Co的70％。分别考虑两种效应的影响后，我们将X射线推导的ΔVot随总剂量的变化关系与实际60Coγ射线曲线作了比较，如图3所示。以同样的方法，利用OFF偏置下的实验数据进行了推导，结果如图4所示。通过两次在不同的偏置条件下的X射线实验数据推导的曲线与60Co实际曲线对比可见，推导的结果与实际值能很好的吻合，从而证明了ON偏置条件下提取的剂量增强因子是合理的，由X射线辐射响应推导60Coγ射线辐射响应的整个推导方法精度较高。
0.3MV/cm)，此时两种辐射下电荷产额差异明显，取X射线的电荷产额为 Co的70％。分别考虑两种效应的影响后，我们将X射线推导的ΔVot随总剂量的变化关系与实际60Coγ射线曲线作了比较，如图3所示。以同样的方法，利用OFF偏置下的实验数据进行了推导，结果如图4所示。通过两次在不同的偏置条件下的X射线实验数据推导的曲线与60Co实际曲线对比可见，推导的结果与实际值能很好的吻合，从而证明了ON偏置条件下提取的剂量增强因子是合理的，由X射线辐射响应推导60Coγ射线辐射响应的整个推导方法精度较高。