氧化铪栅介质及其金属-氧化物-半导体结构的辐照总剂量损伤效应研究进展

氧化铪栅介质及其金属-氧化物-半导体结构的辐照总剂量损伤效应研究进展

丁曼

(河海大学南京211100)

摘要：本文回顾了HfO2及其MOS结构的辐照损伤效应研究进展，介绍了HfO2/Si系统的本征特性及其在辐照作用下的陷阱电荷特性及物理化学特性研究的主要成果。

关键词：氧化铪；金属-氧化物-半导体结构；辐照损伤效应

1前言1

航空航天及军事武器装备用微电子系统工作中会受到来自空间射线（如质子、电子、γ射线、X射线等）的辐照作用而产生各种辐照损伤效应，典型的有电离辐照总剂量效应、瞬时辐照效应、单粒子效应及位移效应。辐照损伤效应与辐照源及微电子器件的种类都有关系，其中对金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)器件影响最严重的当属由γ射线和X射线引起的电离辐照总剂量效应。当MOS器件面临辐射环境时，射线会在MOS结构的栅氧化层中产生多余的电子-空穴对，在不同的偏压作用下电荷向不同方向运动并被俘获从而在介质中产生氧化层陷阱电荷及栅介质/衬底界面层陷阱电荷，从而导致器件功能的退化乃至失效。电离辐射总剂量效应对介质和器件产生的损伤是一种累积性行为。对于核爆炸产生的γ射线和X射线来讲，器件的总剂量效应主要来自于氧化物陷阱电荷的损伤；而对于空间辐射环境所产生的长时间辐射，器件的总剂量效应主要来自栅介质/衬底的界面陷阱电荷。传统的MOS器件中使用的栅介质为SiO2材料，对于SiO2材料及其MOS器件的抗辐照加固研究在过去的30年中已经进行了较为深入的研究并建立了相应的辐照损伤理论模型[1-13]。然而，随着微电子技术的发展，器件特征尺寸不断减小使得MOS器件中的栅介质厚度不断减薄，而传统的SiO2栅介质由于泄漏电流和功耗的增加使器件可靠性下降从而被高介电常数栅介质代替，最常见的就是氧化铪栅介质(HfO2)。本文回顾了HfO2及其MOS结构的辐照损伤效应研究进展，并对于未来的研究提出一些想法。

2HfO2栅介质及其MOS结构的辐照损伤效应研究

对于HfO2/Si结构本征特性的研究有很多的成果，如Wong,H.研究了详细研究了界面陷阱的来源和热退火对界面和本体陷阱分布的影响,研究发现发现淀积后退火过程中会发生HfO2/Si界面的氧化、深陷阱中心的离开和淀积薄膜的结晶，这些过程会导致界面陷阱和深氧化层陷阱的离开并在多晶薄膜的晶界处引入大量的氧化层陷阱[14]；TanTingting等对Si（100）上制备的HfO2薄膜进行了同步辐射光电子能谱和光学透射谱测试并最终得到了HfO2/Si叠层的能带结构，Toyoda,S.等对Si（001）上的HfO2薄膜进行高分辨率光电子能谱和X射线吸收能谱测试并得到其界面硅酸盐层的化学和能带结构[15,16]。Garcia,H.等研究了原子层淀积方法制备的HfO2栅、Al2O3栅及HfO2/Al2O3五层叠栅结构在2MeV电子辐照下的介质层及介质/衬底界面层的辐照损伤效应，结果表明辐照在介质中产生了正的陷阱电荷，低剂量辐照后界面态降低，高剂量辐照后界面态增加，且辐照后泄漏电流增加[17]。Felix,J.A.等研究了等效氧化层厚度为4.5nm的Hf-Si-O化合物栅介质MOS电容在10keVX射线下的辐照效应，研究表明中带电压漂移和平带电压漂移随着辐照剂量的增加而线性增加，但都比同样等效氧化层厚度的SiO2中的电压漂移量大；还研究了究了常见的可靠性问题，如老化特性、偏置应力测试；研究表明，温度应力会使器件电容-电压特性退化，大的外施电压会在栅介质中引入过量的电荷，这都会干扰辐照响应的试验结果[18]。Kang,A.Y.结合CV和电子自旋共振方法研究了HfO2基电容和单氧化层结构在60Co和真空紫外射线下的辐照响应，研究表明HfO2/Si系统中的电子辐照响应与Si/SiO2中有所不同；但是HfO2/Si系统中的界面陷阱和其对H2的响应与Si/SiO2中相同；HfO2/Si中的原子尺度缺陷和他们对辐照的响应与Si/SiO2中不同；且HfO2/Si电容的辐照响应由大量负的氧化层陷阱电荷主导[19]。Zhu,W.J.等研究了固定电压应力作用下MOS电容中超薄HfO2的电荷入陷特性，以及应力电压大小、衬底类型、退火温度和栅电极的影响，研究表明，Pt电极MOS结构在固定电压应力作用下产生的界面陷阱浓度高于Al电极；Al电极HfO2中陷阱致平带电压漂移随着P型硅衬底的注入影响而单调增加，但N型硅衬底中却由于电荷中心偏移而存在平带电压漂移的回转；P型硅衬底中陷阱致平带电压漂移量几乎与应力电压无关，但是N型硅衬底中由于两种机制的共同作用使得平带电压漂移随着应力电压的增加而显著增加；提高退火温度至600℃可以降低陷阱浓度[20]。

综上，对于HfO2/Si栅结构辐照损伤的研究主要的问题在于高k介质的制备方法会影响其辐照损伤效应，现在最常用的方法是原子层淀积方法。另外，HfO2中的辐照致陷阱电荷特性与SiO2中的极性和来源均不同，不能直接使用SiO2中的现有模型，未来应该在HfO2基栅介质结构的辐照致界面陷阱及其在禁带中的分布做更为深入的研究。最后，由于栅介质层的厚度不断减薄，对于辐照的敏感性会越来越小，因此对于MOS结构辐照损伤效应的研究需要进一步探索。

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