总剂量辐射陷阱电荷对堆叠高k栅介质经时击穿特性的影响机理

With the scaling of Metal-oxide-semiconductor (MOS) devices, the SiO2 gate dielectrics thickness gets to its physical limit. When the device scale goes into the nanometer, it is necessary to employ the high dielectric constant (high-k) material as the gate dielectrics. However, compared with the high quality SiO2, the high-k dielectrics that initially were more defective and with a stack construction result the total ionization dose (TID) response and the time dependent dielectric breakdown (TDDB) of MOS devices become more remarkable. In addition, the device will be confronted with the combined effect of radiation effect and the electrical stress in the space, resulting in the degradation of the device more notably. Until now, relevant researches have been carried out on the reliability and radiation effects of high-k gate materials independent. But the analysis on the influence of radiation on reliability is relatively rare. In this project, we will study the trap charge characteristics in the HfO2 gate dielectric MOS capacitor induced by TID effect and TDDB, adopting the method combination of irradiation test, electrical stress test and simulation analysis. And the research of the influence from TID irradiation on the MOS device TDDB reliability by analyzing the lifetime change from irradiated devices to non-irradiation ones will also be present. The purpose of this project is to provide research foundation and reference for the space application of high-k MOS devices.

随着金属-氧化物-半导体（MOS）器件特征尺寸不断缩小，SiO2栅氧层厚度已接近物理极限。当器件进入纳米尺度，必然要使用高介电常数（高k）材料作为栅介质。然而，相比高质量的SiO2，高k材料中陷阱电荷的多态性和堆叠多层结构导致MOS器件的总剂量电离辐射效应和栅氧经时击穿可靠性问题突显。并且，在空间环境中，器件同时会受到辐射效应和电应力的作用，导致器件特性退化更加显著。目前，针对高k栅介质的辐射效应和可靠性已分别开展了研究，但关于辐射对可靠性影响的分析相对较少。本项目以HfO2高k栅介质MOS电容为研究对象，通过开展辐照试验，电应力击穿寿命试验，测试与仿真分析等研究工作，获得堆叠高k栅介质层中辐射陷阱电荷的分布特性，对比分析有、无辐照时器件的击穿特性规律，揭示电离辐射陷阱电荷对栅氧经时击穿特性影响机理。本项目的研究可为高k栅介质纳米MOS器件的空间应用提供研究基础和参考依据。

本项目以纳米级金属-氧化物-半导体（MOS）器件中采用的高介电常数（高k）多层堆叠结构栅氧介质为研究对象，开展电离总剂量辐射效应对栅氧经时击穿特性影响的研究。本项目包含三项研究内容：（1）堆叠HfO2栅介质中电离辐射陷阱电荷的分布特性；（2）堆叠HfO2栅介质中电应力诱导击穿电荷的分布特性；（3）辐射陷阱电荷对堆叠HfO2栅介质经时击穿特性的影响机理。通过研究内容的开展，本项目获得了HfO2高k栅介质MOS电容在不同辐照偏置的电离总剂量辐照对电流-电压（I-V）、电容-电压（C-V）以及栅氧击穿电压特性的影响。研究结果显示当电离总剂量累积辐照剂量为300krad(Si)时，对器件I-V和C-V特性的影响并不显著。在不同辐照偏置下会产生不同的影响结果，正偏置下会导致低栅压下的电流增大，零偏置下导致栅极在较高的正电压下电流增大、最小电流对应的电压值降低，负偏置下导致负栅压下电流增大、最小电流对应的电压值增大。但辐照后，三种辐照偏置下MOS电容的栅氧经时击穿电压均发生显著下降。试验结果显示，不同于传统的SiO2栅介质，堆叠HfO2栅介质中存在受主型和施主型两种缺陷，分别俘获辐射产生的电子和空穴，形成正、负两种带电特性的辐射陷阱电荷，且在不同栅氧层电场偏置下，俘获电子或空穴的数量不同，导致电容的栅电流损伤特性不同。另一方面，辐照引起栅氧界面处的界面态的增大，特别是在HfO2/SiO2界面处，导致在电应力的作用下俘获注入到栅氧层中的载流子，导致栅氧击穿。借助TCAD仿真工具，通过设置电离总剂量辐照在HfO2/SiO2和SiO2/Si界面处产生的缺陷电荷类型和密度，模拟计算了辐照前后器件的电学特性和击穿电压特性，并验证了试验结果。通过本项目的开展，获得了堆叠HfO2栅介质MOS电容在不同辐射条件和栅极应力条件下，宏观特性的损伤规律以及微观缺陷的分布特性，揭示了电离辐射陷阱电荷对堆叠HfO2栅介质经时击穿特性的影响机理。