电离辐射环境下的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可靠性研究

随着半导体技术的进步, 集成小尺寸绝缘体上硅器件的芯片开始应用到航空航天领域, 使得器件在使用中面临了深空辐射环境与自身常规可靠性的双重挑战. 进行小尺寸器件电离辐射环境下的可靠性试验有助于对器件综合可靠性进行评估. 参照国标GB2689.1-81恒定应力寿命试验与加速寿命试验方法总则进行电应力选取, 对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进行了电离辐射环境下的常规可靠性研究. 通过试验对比, 定性地分析了氧化物陷阱电荷和界面态对器件敏感参数的影响, 得出了氧化物陷阱电荷和界面态随着时间参数的变化, 在不同阶段对器件参数的影响. 结果表明, 总剂量效应与电应力的共同作用将加剧器件敏感参数的退化, 二者的共同作用远大于单一影响因子.     

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.     

Bias Dependence of Radiation-Induced Narrow-Width Channel Effects in 65 nm NMOSFETs

The bias dependence of radiation-induced narrow-width channel effects(RINCEs) in 65-nm n-type metal-oxidesemiconductor field-effect transistors(NMOSFETs) is investigated. The threshold voltage of the narrow-width65 nm NMOSFET is negatively shifted by total ionizing dose irradiation, due to the RINCE. The experimental results show that the 65 nm narrow-channel NMOSFET has a larger threshold shift when the gate terminal is kept in the ground, which is contrary to the conclusion obtained in the old generation devices. Depending on the three-dimensional simulation, we conclude that electric field distribution alteration caused by shallow trench isolation scaling is responsible for the anomalous RINCE bias dependence in 65 nm technology.     

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.     

半导体器件总剂量辐射效应的热力学影响

对商用三极管和MOS场效应晶体管进行了不同环境温度下的总剂量辐照实验,对比了不同辐照温度对这两种器件辐射效应特性的影响。实验结果表明,对于同一辐照总剂量,三极管的基极电流、电流增益和MOS场效应晶体管的阈值电压漂移值都随着辐照温度的不同而存在较大的差异。总剂量为100 krad,辐照温度分别为25,70,100 ℃时,NPN三极管的电流增益倍数分别衰减了71,89和113,而NMOS晶体管的阈值电压V_T分别减少了3.53,2.8,2.82 V。     

静态随机存储器总剂量辐射损伤的在线与离线测试方法

以静态随机存储器为研究对象,对其在线和离线测试下的总剂量辐射损伤规律进行了研究,探寻了两种测试条件下总剂量损伤的差异并对造成差异的物理机制进行了分析和讨论,研究结果表明:由于静态随机存储器存在多种总剂量失效模式,相对于在线测试只能覆盖存储单元固定错误的一种失效模式,离线测试可覆盖多种功能失效模式;由于信号完整性对测试频率的限制,使得在线测试得到的动态功耗电流值要明显小于离线测试得到的动态功耗电流值;由于"印记效应"的存在,在线测试静态功耗电流小于离线测试中器件存储与辐照相反数据时的静态功耗电流值;在线无法测量的一些电参数,有可能先于在线可测参数而失效,这些研究结果对于静态随机存储器在星用辐射环境下的总剂量辐射损伤规律的研究和实验评估具有重要意义。     

总剂量辐射环境中的静态随机存储器功能失效模式研究

本文对静态随机存储器 (SRAM) 总剂量辐射引起的功能失效进行了六种不同测试图形下的测试. 利用不同测试图形覆盖的出错模式不同, 通过对比一定累积剂量下同一器件不同测试图形测试结果的差异, 以及对失效存储单元单独进行测试, 研究了总剂量辐照引起的SRAM器件功能失效模式. 研究表明: 器件的功能失效模式为数据保存错误 (Data retention fault) 且数据保存时间具有离散性, 引起数据保存错误的SRAM功能模块为存储单元. 通过对存储单元建立简化的等效电路图, 分析了造成存储单元数据保存错误以及保存时间离散性的原因, 并讨论了该失效模式对SRAM总剂量辐射功能测试方法的影响. 关键词： 静态随机存储器 功能失效 测试图形 数据保存错误     

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。     

Direct measurement and analysis of total ionizing dose effect on 130 nm PD SOI SRAM cell static noise margin

In this work, the total ionizing dose(TID) effect on 130 nm partially depleted(PD) silicon-on-insulator(SOI) static random access memory(SRAM) cell stability is measured. The SRAM cell test structure allowing direct measurement of the static noise margin(SNM) is specifically designed and irradiated by gamma-ray. Both data sides' SNM of 130 nm PD SOI SRAM cell are decreased by TID, which is different from the conclusion obtained in old generation devices that one data side's SNM is decreased and the other data side's SNM is increased. Moreover, measurement of SNM under different supply voltages(Vdd) reveals that SNM is more sensitive to TID under lower Vdd. The impact of TID on SNM under data retention Vddshould be tested, because Vddof SRAM cell under data retention mode is lower than normal Vdd.The mechanism under the above results is analyzed by measurement of I–V characteristics of SRAM cell transistors.     

串口型铁电存储器总剂量辐射损伤效应和退火特性

对一款商用串口I2C型铁电存储器进行了⁶⁰Coγ 辐射和退火实验, 研究了铁电存储器的总剂量效应和退火特性. 使用了超大规模集成电路测试系统测试了铁电存储器的DC, AC, 功能参数, 分析了辐射敏感参数在辐射和退火过程中的变化规律. 实验结果表明: 总剂量辐射在器件内产生大量氧化物陷阱电荷, 造成了铁电存储器外围控制电路MOS管阈值向负向漂移, 氧化物陷阱电荷引入附加电场使铁电薄膜受肖特基发射或空间电荷限制电流的作用, 产生辐射感生漏电流. 由于浅能级亚稳态的氧化物陷阱电荷数量上多于深能级氧化物陷阱电荷, 使得器件功能和辐射敏感参数在常温退火过程中快速恢复. 关键词： 铁电存储器 总剂量辐射 退火特性