X‐ray irradiation‐induced degradation in Hf 0.5 Zr 0.5 O 2 fully depleted silicon‐on‐insulator n‐type metal oxide semiconductor field‐effect transistors

材料科学 光电子学 辐照 阈值电压 电介质 晶体管 栅极电介质 半导体 电容 绝缘体上的硅 场效应晶体管 分析化学(期刊) 电压 电气工程 电极 化学 物理 工程类 物理化学 核物理学 色谱法
作者
Yudong Li,Qingzhu Zhang,Fanyu Liu,Zhaohao Zhang,Fengyuan Zhang,Wenrui Zhao,Bo Li,Yan Jiang
出处
期刊:Rare Metals [Springer Science+Business Media]
卷期号:40 (11): 3299-3307 被引量:9
标识
DOI:10.1007/s12598-020-01586-z
摘要

Abstract The n‐type ultrathin fully depleted silicon‐on‐insulator (FDSOI) metal–oxide–semiconductor field‐effect transistors (MOSFETs), with a Hf 0.5 Zr 0.5 O 2 high dielectric permittivity (high‐ k ) dielectric as gate insulator, were fabricated. The total ionizing dose effects were investigated, and an X‐ray radiation dose up to 1500 krad(Si) was applied for both long‐ and short‐channel devices. The short‐channel devices (0.025–0.100 μm) exhibited less irradiation sensitivity compared with the long‐channel devices (0.35–16 μm), leading to a 71% reduction in the irradiation‐induced drain current growth and a 26% decrease in the shift of the threshold voltage. It was experimentally demonstrated that the OFF mode is the worst case among the three working conditions (OFF, ON and All0) for short‐channel devices. Also, the determined effective electron mobility was enhanced by 38% after X‐ray irradiation, attributed to the different compensations for charges triggered by radiation between the high‐ k dielectric and buried oxide. By extracting the carrier mobility, gate length modulation, and source/drain (S/D) parasitic resistance, the degradation mechanism on X‐ray irradiation was revealed. Finally, the split capacitance–voltage measurements were used to validate the analysis.
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