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.     

电源电路抗γ总剂量辐射性能建模与裕量与不确定性量化评估

针对电源电路抗总剂量辐射性能评估问题,建立了元器件和电路的性能模型,并搭建测试电路对模型进行了测试。开展了辐照敏感关键元器件的总剂量辐照试验,获取了元器件关键参数随累积总剂量变化的实验数据,将参数变化规律注入模型,开展了电源电路抗辐射性能仿真,获得了电路关键特征参数输出电压随累积总剂量的变化规律。采用裕量与不确定性量化(QMU)方法对电源电路的抗辐射性能进行评估,并与电路实际辐照实验结果进行对比,结果表明,QMU评估结果与实际实验结果保持了较好的一致性。     

0.18 μm MOSFET器件的总剂量辐照效应

对0.18 μm metal-oxide-semiconductor field-effect-transistor (MOSFET)器件进行γ射线辐照实验,讨论分析器件辐照前后关态漏电流、阈值电压、跨导、栅电流、亚阈值斜率等特性参数的变化,研究深亚微米器件的总剂量效应. 通过在隔离氧化物中引入等效陷阱电荷,三维模拟结果与实验结果符合很好. 深亚微米器件栅氧化层对总剂量辐照不敏感,浅沟槽隔离氧化物是导致器件性能退化的主要因素. 关键词： 总剂量效应 浅沟槽隔离 氧化层陷阱正电荷 MOSFET     

偏置条件对SOINMOS器件总剂量辐照效应的影响

本文研究了0．8μmSOINMOS晶体管，经剂量率为50rad（Si）／s的60Coγ射线辐照之后的总剂量效应，分析了器件在不同辐照条件和测量偏置下的辐照响应特性．研究结果表明：器件辐照时的栅偏置电压越高，辐照后栅氧化层中积累的空穴陷阱电荷越多，引起的漏极泄漏电流越大．对于漏偏置为5V的器件，当栅电压大于阈值电压时，前栅ID-VG特性曲线中的漏极电流因碰撞电离而突然增大，体电极的电流曲线呈现倒立的钟形．     

硅双极器件及电路电离总剂量辐照损伤研究

针对硅双极器件及其构成的双极集成电路有着如低剂量率辐照损伤增强效应等不同于其他类型电路的特殊的辐照响应问题, 分析了空间辐射电离总剂量环境及铝屏蔽作用, 双极晶体管及电路总剂量辐照损伤机理, 低剂量率辐照损伤增强效应、规律和电参数变化。通过选取几种典型的双极晶体管和电路进行地面辐照模拟试验和测试, 证明了双极器件及电路的关键参数受辐照影响较大, 特别是对低剂量率辐照损伤增强效应敏感, 低剂量率辐照损伤增强因子基本都大于1.5, 不同双极器件和电路的低剂量率辐照损伤增强效应有着明显的不同, 与器件类型、加工工艺(如氧化层厚度)等密切相关。     

低剂量率60Coγ辐线辐照下SOIMOS器件的退化机理

本文通过实验分析了O．8μm工艺H形栅SOIMOS器件在低剂量率下的1射线总剂量效应．实验结果表明,总剂量相同时,低剂量率的辐照效应更严重,关态偏置条件下的阈值电压漂移大于开态,辐照引起NMOS器件发生kink效应时的漏极电压％升高．研究结果表明：界面态对PMOS器件亚阈值斜率和跨导退化的影响作用不同,主要原因是栅极偏置不同使起作用的界面态数量不同．     

65 nm互补金属氧化物半导体场效应和晶体管总剂量效应及损伤机制

对65 nm互补金属氧化物半导体工艺下不同尺寸的N型和P型金属氧化物半导体场效应晶体管(NMOSFET和PMOSFET)开展了不同偏置条件下电离总剂量辐照实验.结果表明:PMOSFET的电离辐射响应与器件结构和偏置条件均有很强的依赖性,而NMOSFET表现出较强的抗总剂量性能;在累积相同总剂量时,PMOSFET的辐照损伤远大于NMOSFET.结合理论分析和数值模拟给出了PMOSFET的辐射敏感位置及辐射损伤的物理机制.     

~(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.     

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     

氮化镓基高电子迁移率晶体管单粒子和总剂量效应的实验研究

利用重离子加速器和~(60)Co γ射线实验装置,开展了p型栅和共栅共源级联结构增强型氮化镓基高电子迁移率晶体管的单粒子效应和总剂量效应实验研究,给出了氮化镓器件单粒子效应安全工作区域、总剂量效应敏感参数以及辐射响应规律.实验发现, p型栅结构氮化镓器件具有较好的抗单粒子和总剂量辐射能力,其单粒子烧毁阈值大于37 MeV·cm~2/mg,抗总剂量效应水平高于1 Mrad (Si),而共栅共源级联结构氮化镓器件则对单粒子和总剂量辐照均很敏感,在线性能量传输值为22 MeV·cm~2/mg的重离子和累积总剂量为200 krad (Si)辐照时,器件的性能和功能出现异常.利用金相显微镜成像技术和聚焦离子束扫描技术分析氮化镓器件内部电路结构,揭示了共栅共源级联结构氮化镓器件发生单粒子烧毁现象和对总剂量效应敏感的原因.结果表明,单粒子效应诱发内部耗尽型氮化镓器件的栅肖特基势垒发生电子隧穿可能是共栅共源级联结构氮化镓器件发生源漏大电流的内在机制.同时发现,金属氧化物半导体场效应晶体管是导致共栅共源级联结构氮化镓器件对总剂量效应敏感的可能原因.     

Synergistic effect of total ionizing dose on single event effect induced by pulsed laser microbeam on SiGe heterojunction bipolar transistor

The synergistic effect of total ionizing dose(TID) on single event effect(SEE) in SiGe heterojunction bipolar transistor(HBT) is investigated in a series of experiments. The SiGe HBTs after being exposed to 60 Co g irradiation are struck by pulsed laser to simulate SEE. The SEE transient currents and collected charges of the un-irradiated device are compared with those of the devices which are irradiated at high and low dose rate with various biases. The results show that the SEE damage to un-irradiated device is more serious than that to irradiated SiGe HBT at a low applied voltage of laser test. In addition, the g irradiations at forward and all-grounded bias have an obvious influence on SEE in the SiGe HBT, but the synergistic effect after cutting off the g irradiation is not significant. The influence of positive oxide-trap charges induced by TID on the distortion of electric field in SEE is the major factor of the synergistic effect. Moreover, the recombination of interface traps also plays a role in charge collection.     

电离总剂量对纳米SRAM器件单粒子翻转敏感性的影响

电离总剂量（TID）与单粒子效应（SEE）是纳米SRAM器件在航天应用中的主要威胁。随着CMOS工艺的进步,两种辐射效应在纳米SRAM器件中的协同效应出现了一些新现象,有必要进一步开展深入研究。利用γ射线以及不同种类重离子对两款纳米SRAM器件开展了辐照实验,研究了不同辐照参数、测试模式以及数据图形条件下,电离总剂量对单粒子翻转（SEU）敏感性的影响。研究结果表明,γ射线辐照过后,存储单元中反相器开关阈值减小,漏电流增大,导致SRAM存储单元抗翻转能力降低,SEU截面有明显增大;未观察到"印记效应",数据图形对测试结果没有明显影响;多位翻转（MBU）比例无明显变化。     

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.     

偏置条件对NPN及PNP双极晶体管电离辐射损伤的影响研究

本文采用低能电子辐照源对NPN及PNP晶体管进行辐照试验. 在辐照试验过程中, 针对NPN及PNP晶体管发射结施加不同的偏置条件, 研究偏置条件对NPN及PNP晶体管辐射损伤的影响. 使用Keithley 4200-SCS半导体特性测试仪在原位条件下测试了双极晶体管电性能参数随低能电子辐照注量的变化关系. 测试结果表明, 在相同的辐照注量条件下, 发射结反向偏置时双极晶体管的辐照损伤程度最大; 发射结正向偏置时双极晶体管的辐照损伤程度最小; 发射结零偏时双极晶体管的辐照损伤程度居于上述情况之间. 关键词： 双极晶体管 低能电子 电离辐射     

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.     

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.     

55 nm硅-氧化硅-氮化硅-氧化硅-硅闪存单元的γ射线和X射线电离总剂量效应研究

基于~(60)Co-γ射线和10 keV X射线辐射源,系统地研究了55 nm硅-氧化硅-氮化硅-氧化硅-硅闪存单元的电离总剂量效应,并特别关注其电学特性退化的规律与物理机制.总剂量辐照引起闪存单元I-V特性曲线漂移、存储窗口变小和静态电流增大等电学特性的退化现象,并对其数据保持能力产生影响.编程态闪存单元的I_d-V_g曲线在辐照后显著负向漂移,而擦除态负向漂移幅度较小.对比两种射线辐照,擦除态的I_d-V_g曲线漂移方向不同.相比于擦除态,富含存储电子的编程态对总剂量辐照更为敏感;且相比于~(60)Co-γ射线,本文观测到了显著的X射线剂量增强效应.利用TCAD和Geant 4工具,从能带理论详细讨论了55 nm硅-氧化硅-氮化硅-氧化硅-硅闪存单元电离总剂量效应和损伤的物理机制,并模拟和深入分析了X射线的剂量增强效应.     

Analysis of functional failure mode of commercial deep sub-micron SRAM induced by total dose irradiation

Functional failure mode of commercial deep sub-micron static random access memory(SRAM) induced by total dose irradiation is experimentally analyzed and verified by circuit simulation. We extensively characterize the functional failure mode of the device by testing its electrical parameters and function with test patterns covering different functional failure modes. Experimental results reveal that the functional failure mode of the device is a temporary function interruption caused by peripheral circuits being sensitive to the standby current rising. By including radiation-induced threshold shift and off-state leakage current in memory cell transistors, we simulate the influence of radiation on the functionality of the memory cell. Simulation results reveal that the memory cell is tolerant to irradiation due to its high stability, which agrees with our experimental result.