辐射感应氧化物电荷和表面态对MOS晶体管特性的影响

MOS场效应晶体管及其派生器件的电特性，对于γ射线，χ射线和电子辐射十分敏感，易受影响而发生变化。这种电离辐射对MOS器件的全部影响可以分成两大类^15～18：

1、当器件栅电极上的偏压为正电势或负电势时，在二氧化硅栅极绝缘物内形成正空间电荷区。

2、硅-二氧化硅界面上快表面态密度的增加。

在栅极绝缘物内产生的正空间电荷，将使MOS电容器的平带电压和MOS晶体管的阈电压向负方向移动，同时漏极电流-栅极电压特性也有相应的移动。正如6.1.1节所讨论的，快表面态的产生不仅使MOS场效应晶体管的阈电压发生改变，而且还使二极管漏泄电流过份增加和沟道区载流子迁移率减小。虽然通常在400℃以上温度的干氮环境（对于二氧化硅栅极绝缘物铝栅器件）或氢环境中进行退火就很容易将所有这些影响消除。但是很明显，电离辐射可使电子系统所用的MOS器件发生严重的退化。因此人们对于如何减小电离辐射对MOS器件特性的退化效应进行了大量的研究工作。

按照下列模型可以解释外加栅-源电压不为零时MOS器件栅极绝缘物内正空间电荷区的形成过程：

当具有二氧化硅栅极绝缘物的MOS器件经过辐射后，入射辐射在二氧化硅内产生空穴-电子对而使栅极绝缘物中局部区域发生电离。普遍认为，在相似的测量条件下，二氧化硅内空穴迁移率远远小于电子迁移率。因此，对不论何种极性的外加栅极电压，电子趋向漂移到正电极，最终被扫出栅极绝缘物，而遗留下运动性能较差的空穴，不久为二氧化硅内的局部晶格所捕获。在这样的条件下，假如不从负电极注入电子，在负电极附近的栅极绝缘物内就会炸形成正空间电荷区。当外加栅-源电压全部降落在正空间电荷区时，将产生稳态平衡条件，结果在绝缘物其余部分电场将等于零。未经扫出二氧化硅而留在上述后一区域内的电子就有同该处的空穴复合的趋势。虽然可以预期，由于栅-衬偏压为零，经过辐射处理后，无论是平带电压或阀电压都没有移动，有代表性的是观测到很小的移动。然而，这种移动可以归因于栅电极和硅衬底的功函数差，甚至在零偏压下功函数差也会在栅极绝缘物中“建立”微弱的电场。

观测的阈电压移动随外加栅极偏压的数值而增加，而且正栅电压下的移动大于负栅电压下的移动，因为紧靠硅-二氧化硅界面所形成的正空间电荷层对表面能带弯曲所产生的影响，远远大于在栅极附近形成的正空间电荷层时所产生的影响。经过辐射之后，在外加栅极偏压情况下，测量阈电压或平带电压产生的移动在室温下恒定不变¹⁸。

一般来说，试图使电离辐射对MOS场效应晶体管电特性影响减小的方法有两种：（1）采用其它绝缘物或复合绝缘层来形成栅极介质；（2）尽量使二氧化硅内的空穴和电子的有效迁移率更密切地匹配。蔡宁格（Zaininger）和韦克斯曼（Waxman）所提出的报告说：^·用Al₂O₃栅极绝缘物（用铝薄层等离子体阳极处理制成）制作的MOS器件，在正常工作条件下，其电特性明显地不受入射辐射的影响。¹⁷特别是，他们发现，由于在氧化铝内形成空间电荷，与用二氧化硅栅极绝缘物制成的类似器件比较，这种器件的平带电压和阈电压只有很小的移动。另一方面，多诺万（Donovan）和西蒙斯（Simons）发现，通过采用离子注入技术，可以大大减小在MOS器件二氧化硅栅极绝缘物内，因受电离辐射而形成的正空间电荷实测值¹⁹。他们证实，采用经过能量范围从50到200千电子伏特的氮离子束注入的二氧化硅绝缘物制作的MOS电容器，经过辐射后所形成的空间电荷比未经注入技术处理的类似器件要少。这个特性归因于注入离子可以改变绝缘物结构的缺陷，因此二氧化硅内电子迁移率与寿命的乘积同空穴迁移率与寿命的乘积得到更密切的匹配。注入工艺对于由电离辐射建立界面态的影响似乎很小。

联系方式：邹先生

联系电话：0755-83888366-8022

手机：18123972950

QQ：2880195519

联系地址：深圳市福田区车公庙天安数码城天吉大厦CD座5C1

请搜微信公众号:“KIA半导体”或扫一扫下图“关注”官方微信公众号

请“关注”官方微信公众号:提供  MOS管  技术帮助