考虑空间电离辐射耦合的SOI器件NBTI失效机理与模型研究

Silicon on insulator (SOI) technology is widely used in the space radiation environment due to the natural advantage on single event effect hardening. With the development of space technology to deep space exploration, the SOI devices are confronted with the double risks of radiation effect and self-reliability. The interaction of the negative bias temperature instability (NBTI), which is the main reliability problem in nanometer device and total ionizing dose effects are studied. Based on the stress experiment and TCAD simulation, the factors affecting of NBTI is investigated and the mechanism of NBTI defect formation is analyzed in SOI device. By considering of self-heating effect, floating body effect and back-gate coupling effect, the physical model applied to SOI device is proposed. Combined the electrical parameters characterization and the e materials characterization, the correlation and interrelationship between the NBTI- and TID-induced defects are investigated. The degradation mechanisms of the SOI devices under the joint action of the two effects are also discussed. On the basis of the above, the NBTI evaluation method under ionizing radiation environment is formed. The radiation acceleration factor is embedded in the NBTI physical model for SOI devices and the NBTI physical model coupling with radiation is established. It can be applied on the reliability assessment and life prediction for aerospace devices.

SOI技术以其在抗单粒子上的天然优势而被广泛应用在空间辐射环境下。随着航天技术向深空探测发展，使得SOI器件面临辐射效应和自身可靠性问题的双重高风险。本项目拟就纳米器件面临的最主要的可靠性问题——负偏压温度不稳定性（NBTI）与总剂量（TID）效应的相互影响开展研究。结合应力实验和TCAD仿真研究影响NBTI效应的因素，分析SOI器件的NBTI缺陷形成机理，考虑SOI器件中自加热效应、浮体效应、背栅耦合效应的影响，建立适用于SOI器件的NBTI物理模型。结合电学参数表征和材料表征等不同手段，研究NBTI和TID效应产生陷阱的相关性和相互影响，明确NBTI和TID效应联合作用下的SOI器件性能退化机制。在此基础上形成电离辐射环境下的NBTI测试评估方法，研究将辐射加速因子嵌入SOI器件的NBTI物理模型，建立电离辐射耦合下的NBTI物理模型，并将其应用于宇航用器件的可靠性评估和寿命预测。

本项目针对130纳米部分耗尽绝缘体上硅（PDSOI）器件，研究了负偏压温度不稳定性（NBTI）和总电离剂量（TID）效应产生陷阱的相关性和相互影响，明确NBTI和TID效应联合作用下的pMOSFET器件性能退化机制。研究发现TID和NBTI相关的退化与栅氧厚度的缩小呈现相反的变化趋势，这意味着辐照和NBTI应力激活了不同的陷阱。由于栅氧化层较薄，辐射引起的退化不明显，但会显著影响pMOSFETs的NBTI效应，特别是在ON偏压辐照下。对于未辐照和辐照的器件，NBTI应力引起的阈值电压随应力时间的变化均服从幂律关系。但Core和I/O器件经ON偏置辐照后，时间指数分别从0.11和0.18增加到0.13和0.20。这意味着ON偏置辐照将在长时间尺度内增强NBTI的退化，最终表现为辐照后Core和I/O器件NBTI寿命的降低。这种现象是由于辐照引起了氧化层陷阱特性的改变。结果表明，经过ON偏置辐照后，在额定工作电压下Core器件的NBTI寿命缩短了近3个数量级，I/O器件的寿命缩短了5倍。值得注意的是，在早期应力阶段，ON偏置辐照后I/O pMOSFET中NBTI应力引起的阈值电压漂移小于无辐照的器件。这可能是由于ON偏压辐照后在多晶硅/氧化物界面附近形成陷阱，从而增强了多晶硅的Fowler-Nordheim电子注入。项目提出了一种电压步进放电技术来提取NBTI应力诱生陷阱的能级分布。发现未辐照器件的硅带隙范围内既有施主型陷阱，也有受主型陷阱。但辐照后器件整个带隙内只存在施主型陷阱。这意味着陷阱的类型和状态已经被辐照改变。辐照后器件中的施主型陷阱密度高于未辐照器件，这与辐照后器件中更恶劣的NBTI退化相对应。研究结果表明如何保证SOI器件在TID辐照后仍具有较高的NBTI可靠性是一个巨大的挑战。通过在经典的反应-扩散模型中引入与辐照相关的参数，对TID作用下的界面陷阱反应速率进行修正，最终得到了TID和NBTI综合作用下的阈值电压退化模型，其可应用于宇航用器件的可靠性评估和寿命预测。