总剂量辐照效应对窄沟道SOI NMOSFET器件的影响

本文深入研究了130 nm Silicon-on-Insulator (SOI) 技术下的窄沟道n型metal-oxide-semiconductor-field-effect-transistor (MOSFET) 器件的总剂量辐照效应. 在总剂量辐照下, 相比于宽沟道器件, 窄沟道器件的阈值电压漂移更为明显. 论文利用电荷守恒定律很好地解释了辐照增强的窄沟道效应. 另外, 本文首次发现, 对于工作在线性区的窄沟道器件, 辐照产生的浅沟槽隔离氧化物(STI) 陷阱正电荷会增加沟道区载流子之间的碰撞概率和沟道表面粗糙度散射, 从而导致主沟道晶体管的载流子迁移率退化以及跨导降低. 最后, 对辐照增强的窄沟效应以及迁移率退化进行了三维器件仿真模拟, 仿真结果与实验结果符合得很好. 关键词： 总剂量效应(TID) 浅沟槽隔离(STI) 氧化层陷阱正电荷 SOI MOSFET     

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.     

栅长对PDSOINMOS器件总剂量辐照效应影响的实验研究

本文对PDS01NMOS器件进行了60Coγ射线总剂量辐照的实验测试,分析了不同的栅长对器件辐射效应的影响及其物理机理．研究结果表明,短沟道器件辐照后感生的界面态密度更大,使器件跨导出现退化．PDSOI器件的局部浮体效应是造成不同栅长器件辐照后输出特性变化不一致的主要原因．短沟道器件输出特性的击穿电压更低．在关态偏置条件下,由于背栅晶体管更严重的辐射效应,短沟道SOI器件的电离辐射效应比同样偏置条件下长沟道器件严重．     

SOI SONOS EEPROM 总剂量辐照阈值退化机理研究

阈值退化是器件特性退化最重要的表征.本文以研究SOI SONOS EEPROM器件的前栅和背栅阈值电压在辐照环境下的漂移为入手点,深入研究了在辐照情况下器件的退化;并从物理能带和载流子漂移的角度,分析了导致阈值电压漂移的物理机理,提出了提高器件性能的措施. 关键词： SONOS EEPROM SOI 辐照 能带     

0.18 μm窄沟NMOS晶体管总剂量效应研究

为明确深亚微米NMOS器件抗辐照能力以及研究其加固措施, 本文对0.18 μm窄沟NMOS晶体管进行了⁶⁰Coγ总剂量辐射效应研究. 结果表明: 和宽沟器件不同, 阈值电压、跨导、漏源电导对总剂量辐照敏感, 此现象被称之为辐射感生窄沟道效应; 相比较栅氧化层, 器件隔离氧化层对总剂量辐照更敏感; 窄沟道NMOS器件阈值电压不仅和沟道耗尽区电荷有关, 寄生晶体管耗尽区电荷对其影响也不可忽略, 而辐照引起源漏之间寄生晶体管开启, 形成漏电通道, 正是导致漏电流、亚阈斜率等参数变化的原因. 关键词： 0.18μmm 窄沟NMOS晶体管 60Coγ辐照')" href="#">⁶⁰Coγ辐照 辐射感生窄沟道效应     

不同栅压下Si-n型金属氧化物半导体场效应管总剂量效应的瞬态特性仿真

为了实现半导体器件在电离辐射环境中电学特性的动态退化过程,本文基于总剂量效应中陷阱对载流子的俘获/发射过程,建立了Si-n型金属氧化物半导体场效应管总剂量效应的瞬态特性数值模型.仿真了不同栅极偏压下,器件电学特性随累积总剂量的上升而造成的器件退化效应,并提取了Si/SiO₂界面和栅氧化层中陷阱电荷的变化.仿真发现,随着累计总剂量的上升,两个位置处陷阱电荷的数量都趋向于饱和.当辐照中栅极偏压为正时,器件阈值电压的退化幅度显著高于辐照偏压为负时的退化幅度.无论是辐照过程中栅极加正偏压还是反偏压,都表现出阈值电压的退化幅度随着偏压幅值上升先上升再下降的趋势.栅极偏压对器件辐照后的退火效应也有一定的影响,在退火过程中如果栅极偏压不为零,器件退火后的电学特性恢复幅度比零偏压下的要低一些.     

采用硅离子注入改进SIMOX埋氧的抗总剂量辐射性能研究

采用硅离子注入工艺对注氧隔离(SIMOX)的绝缘体上硅(SOI)材料进行改性, 在改性材料和标准SIMOX材料上制作了部分耗尽环型栅NMOS/SOI晶体管, 并对其进行⁶⁰Co γ射线总剂量辐照试验. 通过背栅的I-V特性表征晶体管的总剂量辐照特性. 结果表明, 在埋氧层注硅可以降低NMOS/SOI受辐照引起的背栅阈值电压漂移, 提高埋氧层的抗总剂量能力.     

总剂量效应致0.13μm部分耗尽绝缘体上硅N型金属氧化物半导体场效应晶体管热载流子增强效应

空间科学的进步对航天用电子器件提出了更高的性能需求, 绝缘体上硅(SOI)技术由此进入空间科学领域, 这使得器件的应用面临深空辐射环境与地面常规可靠性的双重挑战. 进行SOI N型金属氧化物半导体场效应晶体管电离辐射损伤对热载流子可靠性的影响研究, 有助于对SOI器件空间应用的综合可靠性进行评估. 通过预辐照和未辐照、不同沟道宽长比的器件热载流子试验结果对比, 发现总剂量损伤导致热载流子损伤增强效应, 机理分析表明该效应是STI辐射感生电场增强沟道电子空穴碰撞电离率所引起. 与未辐照器件相比, 预辐照器件在热载流子试验中的衬底电流明显增大, 器件的转移特性曲线、输出特性曲线、跨导特性曲线以及关键电学参数V_T, GM_max, ID_SAT退化较多. 本文还对宽沟道器件测试中衬底电流减小以及不连续这一特殊现象进行了讨论.     

超短沟道绝缘层上硅平面场效应晶体管中热载流子注入应力导致的退化对沟道长度的依赖性

随着场效应晶体管(MOSFET)器件尺寸的进一步缩小和器件新结构的引入, 学术界和工业界对器件中热载流子注入(hot carrier injections, HCI)所引起的可靠性问题日益关注. 本文研究了超短沟道长度(L=30–150 nm)绝缘层上硅(silicon on insulator, SOI)场效应晶体管在HCI应力下的电学性能退化机理. 研究结果表明, 在超短沟道情况下, HCI 应力导致的退化随着沟道长度变小而减轻. 通过研究不同栅长器件的恢复特性可以看出, 该现象是由于随着沟道长度的减小, HCI应力下偏压温度不稳定性效应所占比例变大而导致的. 此外, 本文关于SOI器件中HCI应力导致的退化和器件栅长关系的结果与最近报道的鳍式场效晶体管(FinFET)中的结果相反. 因此, 在超短沟道情况下, SOI平面MOSFET器件有可能具有比FinFET器件更好的HCI可靠性.     

60Co γ射线辐射对AlGaN/GaN HEMT器件的影响

采用60 Co γ射线辐射源对非钝化保护的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)器件进行了1 Mrad(Si)的总剂量辐射,实验发现辐射累积剂量越大,器件尺寸越小,器件饱和漏电流和跨导下降越明显,同时辐射后器件栅泄漏电流明显增大,而阈值电压变化很小. 对辐射前后器件的沟道串联电阻和阈值电压变化的分析表明,辐射感生表面态负电荷的产生是造成AlGaN/GaN HEMT器件电特性退化的主要原因之一.     

部分耗尽结构绝缘体上硅器件的低频噪声特性

针对部分耗尽结构绝缘体上硅(silicon-on-insulator, SOI)器件低频噪声特性展开实验与理论研究. 实验结果表明, 器件低频噪声主要来源于SiO₂-Si界面附近缺陷态对载流子的俘获与释放过程; 基于此理论可提取前栅和背栅氧化层界面附近缺陷态密度分别为8×10¹⁷ eV^-1·cm^-3和2.76×10¹⁷ eV^-1·cm^-3. 基于电荷隧穿机理, 在考虑隧穿削弱因子、隧穿距离与时间常数之间关系的基础上, 提取了前、背栅氧化层内缺陷态密度随空间的分布情况. 此外, SOI器件沟道电流归一化噪声功率谱密度随沟道长度的增加而线性减小, 这表明器件低频噪声主要来源于沟道的闪烁噪声. 最后, 基于电荷耦合效应, 分析了背栅电压对前栅阈值电压、沟道电流以及沟道电流噪声功率谱密度的影响.     

An analytical model for nanowire junctionless SOI Fin FETs with considering three-dimensional coupling effect

In this paper, the three-dimensional(3D) coupling effect is discussed for nanowire junctionless silicon-on-insulator(SOI) Fin FETs. With fin width decreasing from 100 nm to 7 nm, the electric field induced by the lateral gates increases and therefore the influence of back gate on the threshold voltage weakens. For a narrow and tall fin, the lateral gates mainly control the channel and therefore the effect of back gate decreases. A simple two-dimensional(2D) potential model is proposed for the subthreshold region of junctionless SOI Fin FET. TCAD simulations validate our model. It can be used to extract the threshold voltage and doping concentration. In addition, the tuning of back gate on the threshold voltage can be predicted.     

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.     

Metal-oxide-semiconductor field effect transistor using ‘oxidizedμc-Si/ultrathin oxide’ gate structure

The metal-oxide-semiconductor (MOS) field effect transistor (FET) using ‘oxidized μ c-Si/ultrathin oxide’ gate structure was studied. It was found that this structure shows negative differential resistance behavior, which can be explained by the Coulomb blockade effect of trapped carriers and immediate tunneling into and tunneling out with gate bias variation. The requirements for the device with this structure showing negative differential resistance behavior are based on very weak resistive coupling between floating gate and channel. They are the thinness of the tunnel oxide film, the thickness ratio of the upper oxidized film and the tunnel oxide, and the channel threshold voltage. MOSFET with this gate structure is proposed as a new negative differential resistance device.     

A Novel Fully Depleted Air AlN Silicon-on-Insulator Metal--Oxide--Semiconductor Field Effect Transistor

A novel fully depleted air A1N silicon-on-insulator （SOD metai-oxide-semiconductor field effect transistor （MOS- FET） is presented, which can eliminate the self-heating effect and solve the problem that the off-state current of SOI MOSFETs increases and the threshold voltage characteristics become worse when employing a high thermal conductivity material as a buried layer. The simulation results reveal that the lattice temperature in normal SOI devices is 75K higher than the atmosphere temperature, while the lattice temperature is just 4 K higher than the atmosphere temperature resulting in less severe self-heating effect in air A1N SOI MOSFETs and A1N SOI MOSFETs. The on-state current of air A1N SOI MOSFETs is similar to the A1N SOI structure, and improves 12.3% more than that of normal SOI MOSFETs. The off-state current of A1N SOI is 6. 7 times of normal SOI MOSFETs, while the counterpart of air A1N SOI MOSFETs is lower than that of SOI MOSFETs by two orders of magnitude. The threshold voltage change of air A1N SOl MOSFETs with different drain voltage is much less than that of A1N SOI devices, when the drain voltage is Mased at 0.8 V, this difference is 28mV, so the threshold voltage change induced by employing high thermal conductivity material is cured.     

Non-depletion floating layer in SOI LDMOS for enhancing breakdown voltage and eliminating back-gate bias effect

A non-depletion floating layer silicon-on-insulator (NFL SOI) lateral double-diffused metal-oxide-semiconductor (LDMOS) is proposed and the NFL-assisted modulated field (NFLAMF) principle is investigated in this paper. Based on this principle, the floating layer can pin the potential for modulating bulk field. In particular, the accumulated high concentration of holes at the bottom of the NFL can efficiently shield the electric field of the SOI layer and enhance the dielectric field in the buried oxide layer (BOX). At variation of back-gate bias, the shielding charges of NFL can also eliminate back-gate effects. The simulated results indicate that the breakdown voltage (BV) is increased from 315 V to 558 V compared to the conventional reduced surface field (RESURF) SOI (CSOI) LDMOS, yielding a 77% improvement. Furthermore, due to the field shielding effect of the NFL, the device can maintain the same breakdown voltage of 558 V with a thinner BOX to resolve the thermal problem in an SOI device.     

非对称Halo异质栅应变Si SOI MOSFET的二维解析模型

为了进一步提高深亚微米SOI (Silicon-On-Insulator) MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 的电流驱动能力, 抑制短沟道效应和漏致势垒降低效应, 提出了非对称Halo异质栅应变Si SOI MOSFET. 在沟道源端一侧引入高掺杂Halo结构, 栅极由不同功函数的两种材料组成. 考虑新器件结构特点和应变的影响, 修正了平带电压和内建电势. 为新结构器件建立了全耗尽条件下的表面势和阈值电压二维解析模型. 模型详细分析了应变对表面势、表面场强、阈值电压的影响, 考虑了金属栅长度及功函数差变化的影响. 研究结果表明,提出的新器件结构能进一步提高电流驱动能力, 抑制短沟道效应和抑制漏致势垒降低效应, 为新器件物理参数设计提供了重要参考. 关键词： 非对称Halo 异质栅 应变Si 短沟道效应     

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.     

AlGaN/GaN高电子迁移率器件外部边缘电容的物理模型

AlGaN/GaN HEMT外部边缘电容Cofd是由栅极垂直侧壁与二维电子气水平壁之间的电场构成的等效电容.本文基于保角映射法对Cofd进行物理建模,考虑沟道长度调制效应,研究外部偏置、阈值电压漂移和温度变化对Cofd的影响:随着漏源偏压从零开始增加,Cofd先保持不变再开始衰减,其衰减速率随栅源偏压的增加而减缓;AlGaN势垒层中施主杂质浓度的减小和Al组分的减小都可引起阈值电压的正向漂移,正向阈值漂移会加强沟道长度调制效应对Cofd的影响,导致Cofd呈线性衰减.在大漏极偏压工作情况下,Cofd对器件工作温度的变化更加敏感.     

堆叠栅介质对称双栅单Halo应变Si金属氧化物半导体场效应管二维模型

提出了一种堆叠栅介质对称双栅单Halo应变Si金属氧化物半导体场效应管(metal-oxide semiconductor field effect transistor,MOSFET)新器件结构.采用分区的抛物线电势近似法和通用边界条件求解二维泊松方程,建立了全耗尽条件下的表面势和阈值电压的解析模型.该结构的应变硅沟道有两个掺杂区域,和常规双栅器件(均匀掺杂沟道)比较,沟道表面势呈阶梯电势分布,能进一步提高载流子迁移率;探讨了漏源电压对短沟道效应的影响;分析得到阈值电压随缓冲层Ge组分的提高而降低,随堆叠栅介质高k层介电常数的增大而增大,随源端应变硅沟道掺杂浓度的升高而增大,并解释了其物理机理.分析结果表明:该新结构器件能够更好地减小阈值电压漂移,抑制短沟道效应,为纳米领域MOSFET器件设计提供了指导.