硅垂直扩散MOSFET与SiO的总电离剂量效应₂和Si₃ñ₄/二氧化硅₂栅介质

摘要

总电离剂量辐照效应以Si垂直进行了研究扩散的MOSFET（VDMOSs）具有不同的栅极电介质，包括单个的SiO₂层和硅一倍₃ñ₄/二氧化硅₂层。辐射诱导的孔俘获较大单的SiO₂层比双硅₃ñ₄/二氧化硅₂层。电介质氧化温度依赖性TID效果也进行了研究。孔俘获感应负阈值电压偏移为较小的SiO₂在较低的氧化温度。期间照射导致不同的栅极偏置移用于不同的栅极电介质。单二氧化硅₂层显示最坏的负面在 ，而双Si₃ñ₄/二氧化硅₂显示负在转移 ，正在转移 ，可忽略不计在转移 。

1.介绍

硅功率MOSFET，特别是垂直扩散MOSFET（VDMOS），被广泛地用于高功率应用，由于其成熟的技术和成本效率。如今，VDMOS通常在恶劣环境下使用，例如空间，在那里它从宇宙辐射遭受[1-4]。在空间环境中正常运行，硅VDMOSs必须能够承受电离辐射如总剂量（TID）。在本文中，我们研究在Si中VDMOS TID效应具有不同的栅极电介质，包括单个的SiO₂层和硅一倍₃ñ₄/二氧化硅₂层的SiO的不同的氧化温度₂，以及在辐照时不同的栅偏置。

2.实验设置

所述Si VDMOSs这里考虑是与除所述栅极电介质沉积条件公知的标准制造工艺设备。不同二氧化硅沉积条件包括从800℃至1000℃，并有和没有postoxidation退火不同的氧化温度下进行。特别地，双栅介电层的Si₃ñ₄/二氧化硅₂，having the same total thickness 50 nm (20 nm/30 nm) as that of single SiO₂层，被制造，以评估其对TID硬度。

在Co .条件下，将未封装器件线接在测试板上进行辐照试验⁶⁰gamma source at a dose rate of 50 rad (Si)/s at room temperature, and the devices are remeasured after a total dose of 100 Krad is reached after 33 minutes. Irradiation was performed with different gate voltages () of 10 V, 0 V, and −5 V, with source terminal grounded and drain terminal of small voltage to guarantee a small current of about 100 mA for 和drain terminal of 200 V (rated breakdown voltage). The bias-stress-only test is also performed without irradiation to account for the electrical stress influence, such as ， 。偏压测试是通过使用相同的偏压(of 10 V, 0 V, and −5 V) and time (33 minutes) comparable to those used in the irradiation experiments. Current-voltage characteristics are measured using Agilent 2902A parameter analyzer, and the measurements are carried out before and right after the irradiation/bias-stress.

3。结果与讨论

数字1显示与之前和TID照射后不同的栅极电介质和不同的氧化条件的Si VDMOS的特性 在辐照。Two types of gate dielectrics with the same total thickness of 50 nm are investigated including normal SiO₂层（图图1（a））和双硅₃ñ₄/二氧化硅₂层（图图1（b）），其声称是更宽容TID [五-9]。可以观察到的是，阈值电压单个SiO的变化为负₂层指示净孔正偏压照射期间捕获和氧化温度从800℃升高到1000℃，从0.2 V升高到0.71 V。氧化后的高温退火(HTA)增加了负位移，表明了更高的捕穴能力。然而，对于双Si₃ñ₄/二氧化硅₂层，在积极转变 用较小 而不是SiO₂。它可以与说明的是，在正偏压照射 ，如图5(一个)中，照射在二氧化硅产生的电子₂层被扫至Si₃ñ₄和被困在那里，形成网的电子通过与Si中的照射形成的孔补偿捕获₃ñ₄[10-12]。被困在所述Si的电子数₃ñ₄比被困在二氧化硅中的孔更高₂，导致净正转移。

数字2显示与之前和TID照射后不同的栅极电介质和不同的氧化条件的Si VDMOS的特性 在辐照。可以观察到，两种器件均为单一SiO₂电介质和双硅₃ñ₄/二氧化硅₂介质(图图2（a）和图2（b））具有大致相同的在总剂量为100 Krad (Si)之前和之后的数值，表明极好的栅极控制。双Si器件₃ñ₄/二氧化硅₂电介质（图图2（b））显示出更高的of 1.6 S compared to that of single SiO₂层(1.3~1.4 S) at ，这是由于有效栅电容较高。硅的电容₃ñ₄/二氧化硅₂栅极电介质测量具有1.6×10的栅极电容^-9 F, while SiO₂栅极电介质具有1.1×10的栅极电容^-9 F due to a higher dielectric constant of Si₃ñ₄具有相同的总厚度。

为了排除来自偏置照射试验电应力响应，偏置诱导的降解是单独在偏差和时间测量相比，那些照射期间使用。结果表明，电应力对微不足道的影响（<5％）与TID偏压辐照效应进行比较。

数字图3（a）显示不同的栅极介质在不同的栅极偏压下的辐射包括 ， , 。可以观察到，对于单栅介质SiO₂具有不同氧化条件，改变所有负，和SiO₂在较低温度下制备的膜层尺寸较小在辐照过程中，所有栅极偏置发生位移。也可以观察到阈值电压转移最在照射偏压 针对单一SiO₂栅极电介质。可以说明的是，在 中，照射形成的孔自由地以SiO周围悬空₂，这是更容易地捕获在二氧化硅₂，形成积极的陷阱电荷，从而导致负转移。对于辐照偏置 在SiO中，辐照产生的空洞也有类似的可能₂，同时，同时，照射产生的电子被扫到的SiO₂/半导体界面，形成比在照射偏压的情况下更界面缺陷 ，这可以通过分别计算，来确认和由亚阈值中间能隙技术的值（SMGT）12，13]，如示于图图3（b）。

在一个理想器件中，漏极电流和栅极电压由 在亚阈值政权。当绘制成与 ，直-特性可以被外推到一个计算出的中间带隙电流。比较预辐射照射后和特点，中间隙电压漂移， ，以及阈下摆动(逆斜率)的变化， ，确定即可。的价值相当于和成正比 。亚阈值电荷分离技术已被证明是最容易执行，并且是最广泛使用的。的价值是获得假设存在以下关系： 哪里

前和照射后亚阈值摆幅之间的区别， ，通过以下关系式计算： 哪里表示界面陷阱诱发的电容，是玻尔兹曼常数，是温度，和费米电势可以计算如下：

数字图3（b）显示和采用SMGT方法计算(1） 至 （4）单栅介质的SiO₂双栅介电硅₃ñ₄/二氧化硅₂在不同的栅极偏压，包括 ， , 。可以观察到的是，对于单一的SiO₂介两者都是相似的 和 ，而在大 比在 ，产生的补偿效果。

该移带负在所有偏压照射情况下为单一的SiO₂栅介电层;用于双栅介质硅₃ñ₄/二氧化硅₂然而，负轮班 ,积极转变的 勉强在移动 。通过计算和 ，分别可以看出， ，多个孔被朝向/扫到硅₃ñ₄层，在那里他们可以更容易地被困相比的SiO₂[五]。对于 ，照射产生的电子被俘获在硅₃ñ₄，形成负陷阱电荷，从而导致正转移。

在偏置照射下，MOSFET中产生电子/空穴对。在 ，电子/空穴得到更多的机会来在第一重组，形成较少空穴和界面缺陷。在 要么 ，在较高的电场下，较少的电子/空穴重新结合，导致更多的捕获空穴和界面缺陷，如图所示4。

数据4(一)和4 (b)显示计算得出的和单栅介质的SiO的值₂双栅介电硅₃ñ₄/二氧化硅₂在不同的栅极偏压，包括 ， , 。可以看出，在 单栅介质的SiO₂双栅介电硅₃ñ₄/二氧化硅₂表现出类似的价值 ，指示类似的SiO₂/半导体界面，这是合乎逻辑的，由于相同的氧化条件。随着绝对栅偏压 ，更多的接口缺陷两种介质创建。

对于单栅介质的SiO₂，氧化物俘获电荷与绝对电场增加 ，与在至少氧化物俘获电荷 由于开始时有更多的空穴/电子重新组合。用于双栅介质硅₃ñ₄/二氧化硅₂还有在更多的净氧化物陷阱电荷 比 ，这可以作如下解释。

在正偏置照射下，SiO中的电荷₂大多是由于孔在氧化物/硅界面俘获。与此相反，由于从氧化物层的电子，并且由于从氮化物竞争孔中的正电荷的负电荷，以确定两者的大小和在所述Si的电荷的符号₃ñ₄如示于图5(一个)。因为没有电子阻挡在Si存在于氧化物层中产生的电子被扫到氮化物层容易₃ñ₄/二氧化硅₂接口。假定在氧化物和避开初始重组产生的空穴的总数量为大约正比于氧化层厚度，这是与什么是在图观察到一致的4(一)更在单SiO₂层比在双硅₃ñ₄/二氧化硅₂在层 。

对于负偏压照射，硅₃ñ₄/二氧化硅₂显示负移位，在幅度比为较大的正偏压照射。这是因为氮化物/氧化物界面具有由于空穴从一氧化硅移动更俘获空穴比捕获的电子₂而不会在界面空穴势垒，如在图中所示图5（b）。此外，在氧化物中产生的一些孔被困在氧化物中。由于氧化物和氮化物中的孔的净捕获，在负偏压情况下有电荷的增加[10-13]。

4。结论

研究了栅极介电效应和栅极偏置对半导体VDMOS的影响。单栅介质SiO₂呈现负移在正或负的栅极偏压，其中具有较低氧化温度提高。双栅极电介质的Si₃ñ₄/二氧化硅₂显示负在负的栅极偏压换档由于净孔Si中捕集₃ñ₄/二氧化硅₂积极在正栅极偏压换档由于净电子俘获。

这些结果提供了洞察的Si VDMOS与二氧化硅的TID响应的机制和大小₂和Si₃ñ₄/二氧化硅₂栅绝缘体，和Si₃ñ₄/二氧化硅₂被证明是更TID宽容。

利益冲突

作者声明，本论文的发表不存在任何利益冲突。

作者的贡献

经全体作者同意，增加作者周敏为合著者和通讯作者。周敏博士协助论文的修改工作，包括撰写论文和深入分析导致陷套的缺陷的微观结构。

致谢

本课题由国家自然科学基金(61604128)、浙江省教育厅科研基金(Y201533913)、中央高校基础研究基金(2016QNA4025)资助。

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