稳态、瞬态X射线辐照引起的互补性金属-氧化物-半导体器件剂量增强效应研究

重点开展了稳态、瞬态X射线辐照引起的金属氧化物半导体(CMOS)器件剂量增强效应relative dose enhancement effect(RDEF)研究.通过实验给出辐照敏感参数随总剂量的变化关系,旨在建立CMOS器件相同累积剂量时Χ射线辐照和γ射线辐照的总剂量效应损伤等效关系.在脉冲X射线源dense plasma focus(DPF)装置上,采用双层膜结构开展瞬态翻转增强效应研究,获得了瞬态翻转剂量增强因子.这些方法为器件抗X射线辐照加固技术研究提供了实验技术手段. 关键词： X射线 剂量增强因子 总剂量效应 剂量率效应     

总剂量辐照下沟道长度对部分耗尽绝缘体上硅p型场效应晶体管电特性的影响

本文通过实验研究了0.8μm PD(Partially Depleted)SOI(Silicon-On-Insulator)p型Metal-oxidesemiconductor-feld-efect-Transistor(MOSFET)经过剂量率为50 rad(Si)/s的60Coγ射线辐照后的总剂量效应,分析了沟道长度对器件辐照效应的影响.研究结果表明:辐照总剂量相同时,短沟道器件的阈值电压负向漂移量比长沟道器件大,最大跨导退化的更加明显.通过亚阈值分离技术分析得到,氧化物陷阱电荷是引起阈值电压漂移的主要因素.与长沟道器件相比,短沟道器件辐照感生的界面陷阱电荷更多.     

γ射线总剂量辐照效应对应变Si p型金属氧化物半导体场效应晶体管阈值电压与跨导的影响研究

分析了双轴应变Si p型金属氧化物半导体场效应晶体管(PMOSFET)在γ射线辐照下载流子的微观输运过程,揭示了γ射线的作用机理及器件电学特性随辐照总剂量的演化规律,建立了总剂量辐照条件下的双轴应变Si PMOSFET阈值电压与跨导等电学特性模型,并对其进行了模拟仿真.由仿真结果可知,阈值电压的绝对值会随着辐照总剂量的积累而增加,辐照总剂量较低时阈值电压的变化与总剂量基本呈线性关系,高剂量时趋于饱和;辐照产生的陷阱电荷增加了沟道区载流子之间的碰撞概率,导致了沟道载流子迁移率的退化以及跨导的降低.在此基础上,进行实验验证,测试结果表明实验数据与仿真结果基本相符,为双轴应变Si PMOSFET辐照可靠性的研究和应变集成电路的应用与推广提供了理论依据和实践基础.     

绝缘体上硅金属氧化物半导体场效应晶体管中辐射导致的寄生效应研究

基于⁶⁰Co γ射线源研究了总剂量辐射对绝缘体上硅（silicon on insulator,SOI）金属氧化物半导体场效应晶体管器件的影响.通过对比不同尺寸器件的辐射响应,分析了导致辐照后器件性能退化的不同机制.实验表明：器件的性能退化来源于辐射增强的寄生效应;浅沟槽隔离（shallow trench isolation,STI）寄生晶体管的开启导致了关态漏电流随总剂量呈指数增加,直到达到饱和;STI氧化层的陷阱电荷共享导致了窄沟道器件的阈值电压漂移,而短沟道器件的阈值电压漂移则来自于背栅阈值耦合;在同一工艺下,尺寸较小的器件对总剂量效应更敏感.探讨了背栅和体区加负偏压对总剂量效应的影响,SOI器件背栅或体区的负偏压可以在一定程度上抑制辐射增强的寄生效应,从而改善辐照后器件的电学特性.     

三维数值仿真研究锗硅异质结双极晶体管总剂量效应

为探索锗硅异质结双极晶体管(SiGe HBT)总剂量效应的损伤机理,采用半导体器件三维模拟工具(TCAD),建立电离辐照总剂量效应损伤模型,分析比较电离辐射在SiGe HBT不同氧化层结构的不同位置引入陷阱电荷缺陷后,器件正向Gummel特性和反向Gummel特性的退化特征,获得SiGe HBT总剂量效应损伤规律,并与⁶⁰Coγ辐照实验进行对比.结果表明:总剂量辐照在SiGe HBT器件中引入的氧化物陷阱正电荷主要在pn结附近的Si/SiO₂界面处产生影响,引起pn结耗尽区的变化,带来载流子复合增加,最终导致基极电流增大、增益下降;其中EB Spacer氧化层中产生的陷阱电荷主要影响正向Gummel特性,而LOCOS隔离氧化层中的陷阱电荷则是造成反向Gummel特性退化的主要因素.通过数值模拟分析获得的SiGe HBT总剂量效应损伤规律与不同偏置下⁶⁰Coγ辐照实验的结论符合得较好.     

γ辐照前后多栅NMOS转移特性曲线交叉现象机理分析

在研究0.5μm多栅NMOS场效应管γ辐照总剂量效应实验时,发现部分多栅NMOS器件辐照前后的转移特性曲线出现交叉现象,相关的解释鲜见报道。经过分析提出假设:部分多栅NMOS在γ辐照实验过程中各栅极受到剂量不均匀的辐照,导致辐照前后转移特性曲线出现交叉现象。计算机仿真结果表明:受到剂量不均匀的辐照后,多栅NMOS各栅极氧化层陷阱电荷和硅-二氧化硅界面电荷浓度不一致,使各栅极阈值电压不同步漂移,导致器件跨导退化和转移特性曲线交叉。通过仿真验证能够说明,所提出的假设合理地解释了实验中的现象。     

浮栅ROM器件x射线剂量增强效应实验研究

给出了浮栅ROM器件在钴源和北京同步辐射装置(BSRF)3W1白光束线辐照的实验结果;比较了两种辐照的实验结果及其损伤异同性.通过实验在线测得位错误数随总剂量的变化,给出相同累积剂量时x射线辐照和γ射线辐照的总剂量效应损伤等效关系.获得了浮栅ROM器件x射线剂量增强因子.这些结果对器件抗x射线辐射加固技术研究有重要价值 关键词： EEPROM x射线 剂量增强剂量效应 同步辐射     

~(60)Co-γ射线辐照CMOS有源像素传感器诱发暗信号退化的机理研究

对某国产0.5μm CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor,互补金属氧化物半导体)N阱工艺CMOS有源像素传感器的电离总剂量效应进行了研究,通过60Co-γ射线辐照试验,着重分析了对辐射最敏感的暗信号和暗信号非均匀性随总剂量退化的物理机理.实验发现,随着辐照剂量的增加,暗信号和暗信号非均匀性显著退化,并且静态偏置条件下器件的辐射损伤最大.暗信号退化的主要原因是光电二极管pn结和复位晶体管源端N+/Psub结表面边界周围的SiO2产生了大量的界面态;暗信号非均匀性显著退化是由于光电二极管的暗信号增大引起.上述工作可为深入研究CMOS有源像素传感器的抗辐射加固及其辐射损伤评估提供参考.     

$lt;i$gt;γ$lt;/i$gt;射线总剂量辐照效应对应变Sip型金属氧化物半导体场效应晶体管阈值电压与跨导的影响研究

分析了双轴应变Si p型金属氧化物半导体场效应晶体管(PMOSFET)在γ射线辐照下载流子的微观输运过程, 揭示了γ射线的作用机理及器件电学特性随辐照总剂量的演化规律, 建立了总剂量辐照条件下的双轴应变Si PMOSFET 阈值电压与跨导等电学特性模型, 并对其进行了模拟仿真. 由仿真结果可知, 阈值电压的绝对值会随着辐照总剂量的积累而增加, 辐照总剂量较低时阈值电压的变化与总剂量基本呈线性关系, 高剂量时趋于饱和; 辐照产生的陷阱电荷增加了沟道区载流子之间的碰撞概率, 导致了沟道载流子迁移率的退化以及跨导的降低. 在此基础上, 进行实验验证, 测试结果表明实验数据与仿真结果基本相符, 为双轴应变Si PMOSFET辐照可靠性的研究和应变集成电路的应用与推广提供了理论依据和实践基础. 关键词： 应变Sip型金属氧化物半导体场效应晶体管 总剂量辐照 阈值电压 跨导     

强脉冲X射线辐照Si-SiO2界面对C-V 和I-V特性曲线的影响

 利用强脉冲X射线对Si-SiO₂界面进行了辐照，测量了C-V曲线和I-V曲线。实验发现，经过强脉冲X射线对Si-SiO₂界面进行的辐照，使C-V曲线产生了正向漂移，这一点与低剂量率辐射结果不同；辐射后，感生I-V曲线产生畸变；特别地，从I-V曲线上还反映出强脉冲X射线辐照的总剂量效应造成电特性 参数明显退化，最后甚至失效。讨论了强脉冲X射线辐照对Si-SiO₂界面产生损伤的机理，并对实验结果进行了解释。     

γ射线总剂量辐照对单轴应变Si纳米n型金属氧化物半导体场效应晶体管栅隧穿电流的影响

基于γ射线辐照条件下单轴应变Si纳米n型金属氧化物半导体场效应晶体管(NMOSFET)载流子的微观输运机制,揭示了单轴应变Si纳米NMOSFET器件电学特性随总剂量辐照的变化规律,同时基于量子机制建立了小尺寸单轴应变Si NMOSFET在γ射线辐照条件下的栅隧穿电流模型,应用Matlab对该模型进行了数值模拟仿真,探究了总剂量、器件几何结构参数、材料物理参数等对栅隧穿电流的影响.此外,通过实验进行对比,该模型仿真结果和总剂量辐照实验测试结果基本符合,从而验证了模型的可行性.本文所建模型为研究纳米级单轴应变Si NMOSFET应变集成器件可靠性及电路的应用提供了有价值的理论指导与实践基础.     

Dynamic modeling of total ionizing dose-induced threshold voltage shifts in MOS devices

The total ionizing dose (TID) effect is a key cause for the degradation/failure of semiconductor device performance under energetic-particle irradiation. We developed a dynamic model of mobile particles and defects by solving the rate equations and Poisson's equation simultaneously, to understand threshold voltage shifts induced by TID in silicon-based metal-oxide-semiconductor (MOS) devices. The calculated charged defect distribution and corresponding electric field under different TIDs are consistent with experiments. TID changes the electric field at the Si/SiO₂ interface by inducing the accumulation of oxide charged defects nearby, thus shifting the threshold voltage accordingly. With increasing TID, the oxide charged defects increase to saturation, and the electric field increases following the universal 2/3 power law. Through analyzing the influence of TID on the interfacial electric field by different factors, we recommend that the radiation-hardened performance of devices can be improved by choosing a thin oxide layer with high permittivity and under high gate voltages.     

铁电存储器~(60)Co γ射线及电子总剂量效应研究

以型号为FM28 V100的铁电存储器为研究对象,进行了~(60)Co γ射线和2 Me V电子辐照实验.研究了铁电存储器不同工作方式、不同辐射源下的总剂量辐射损伤规律,用J-750测试部分直流参数和交流参数,分析了存储器敏感参数的变化规律.实验结果表明:对动态、静态加电、静态不加电三种工作方式下的结果进行比较.其中静态加电工作方式下产生的陷阱电荷最多,是存储器最恶劣的工作方式;器件的一些电参数随总剂量发生变化,在功能失效之前部分参数已经失效;在静态加电这种最恶劣的工作方式下,得到~(60)Co γ射线比电子造成更加严重的辐照损伤.     

氢气浸泡辐照加速方法在3DG111器件上的应用及辐射损伤机理分析

本文以~(60)Co为辐照源,针对3DG111型晶体管,利用半导体参数分析仪和深能级缺陷瞬态谱仪,研究高/低剂量率和有/无氢气浸泡条件下,电性能和深能级缺陷的演化规律.试验结果表明,与高剂量率辐照相比,低剂量率辐照条件下,3DG111型晶体管的电流增益退化更加严重,这说明该器件出现了明显的低剂量率增强效应;无论是高剂量率还是低剂量率辐照条件下,3DG111晶体管的辐射损伤缺陷均是氧化物正电荷和界面态陷阱,并且低剂量率条件下,缺陷能级较深;氢气浸泡后在高剂量率辐照条件下,与未进行氢气处理的器件相比,辐射损伤程度明显加剧,且与低剂量率辐照条件下器件的损伤程度相同,缺陷数量、种类及能级也相同.因此,氢气浸泡处理可以作为低剂量率辐射损伤增强效应加速评估方法的有效手段.     

超深亚微米互补金属氧化物半导体器件的剂量率效应

对0.18 μm互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺的N型金属氧化物半导体场效应晶体管(NMOSFET)及静态随机存储器(SRAM)开展了不同剂量率下的电离总剂量辐照试验研究. 结果表明: 在相同累积剂量, SRAM的低剂量率辐照损伤要略大于高剂量率辐照的损伤, 并且低剂量率辐照损伤要远大于高剂量率辐照加与低剂量率辐照时间相同的室温退火后的损伤. 虽然NMOSFET 低剂量率辐照损伤略小于高剂量率辐照损伤, 但室温退火后, 高剂量率辐照损伤同样要远小于低剂量率辐照损伤. 研究结果表明0.18 μm CMOS工艺器件的辐射损伤不是时间相关效应. 利用数值模拟的方法提出了解释CMOS器件剂量率效应的理论模型.     

Comparison of radiation degradation induced by x-ray and 3-MeV protons in 65-nm CMOS transistors

The total ionizing dose(TID) response of 65-nm CMOS transistors is studied by 10-ke V x-ray and 3-Me V protons up to 1 Grad(SiO_2) total dose.The degradation levels induced by the two radiation sources are different to some extent.The main reason is the interface dose enhancement due to the thin gate oxide and the low energy photons.The holes' recombination also contributes to the difference.Compared to these two mechanisms,the influence of the dose rate is negligible.     

Total ionizing dose effect in an input/output device for flash memory

Input/output devices for flash memory are exposed to gamma ray irradiation. Total ionizing dose has been shown great influence on characteristic degradation of transistors with different sizes. In this paper, we observed a larger increase of off-state leakage in the short channel device than in long one. However, a larger threshold voltage shift is observed for the narrow width device than for the wide one, which is well known as the radiation induced narrow channel effect. The radiation induced charge in the shallow trench isolation oxide influences the electric field of the narrow channel device. Also, the drain bias dependence of the off-state leakage after irradiation is observed, which is called the radiation enhanced drain induced barrier lowing effect. Finally, we found that substrate bias voltage can suppress the off-state leakage, while leading to more obvious hump effect.     

基于4晶体管像素结构的互补金属氧化物半导体图像传感器总剂量辐射效应研究

对基于4晶体管像素结构互补金属氧化物半导体图像传感器的电离总剂量效应进行了研究,着重分析了器件的满阱容量和暗电流随总剂量退化的物理机理.实验的总剂量为200 krad(Si),测试点分别为30 krad(Si),100 krad(Si),150 krad(Si)和200 krad(Si),剂量率为50 rad(Si)/s.实验结果发现随着辐照总剂量的增加,器件的满阱容量下降并且暗电流显著增加.其中辐照使得传输门沟道掺杂分布发生改变是满阱容量下降的主要原因,而暗电流退化则主要来自于浅槽隔离界面缺陷产生电流和传输门-光电二极管交叠区产生电流.实验还表明样品器件的转换增益在辐照前后未发生明显变化,并且与3晶体管像素结构不同,4晶体管像素结构的互补金属氧化物半导体图像传感器没有显著的总剂量辐照偏置效应.     

基于环形栅和半环形栅N沟道金属氧化物半导体晶体管的总剂量辐射效应研究

在商用0.35 μm互补金属氧化物半导体工艺上制备了两种栅氧化层厚度(t_ox)的条形栅、环形栅和半环形栅N沟道金属氧化物半导体 (n-channel metal oxide semiconductor, 简记为NMOS) 晶体管, 并进行了2000 Gy(Si)的总剂量辐射效应实验. 实验结果显示, 栅氧厚度对阈值电压漂移的影响大于栅氧厚度的3次方. 对于t_ox为11 nm的低压NMOS晶体管, 通过环形栅或半环形栅的加固方式能将其抗总剂量辐射能力从300 Gy(Si)提高到2000 Gy(Si)以上; 而对于t_ox为26 nm的高压NMOS晶体管, 通过环栅或半环栅的加固方式, 则只能在低于1000 Gy(Si)的总剂量下, 一定程度地抑制截止漏电流的增加. 作为两种不同的版图加固方式, 环形栅和半环形栅对同一t_ox的NMOS器件加固效果类似, 环形栅的加固效果略优于半环形栅. 对于上述实验结果, 进行了理论分析并阐释了产生这些现象的原因. 关键词： 环形栅 半环形栅 总剂量 辐射效应