$lt;i$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     

金属-氧化物-半导体器件γ辐照温度效应

研究了金属-氧化物-半导体(MOS)器件在γ射线辐照条件下的温度效应.采用加固的CC4007进 行辐照实验,在不同温度、不同偏压,以及不同退火条件下对MOS器件的辐照效应进行了比 较,发现温度对辐照效应的影响主要是决定界面态建立的快慢.高温下辐照的器件,界面态 建立的时间缩短.根据实验结果对器件阈值电压漂移的机理进行了探讨. 关键词： 金属-氧化物-半导体场效应 辐射效应 阈值电压漂移     

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.     

脉冲γ射线诱发N型金属氧化物场效应晶体管纵向寄生效应开启机制分析

金属氧化物场效应晶体管作为大规模数字电路的基本单元,其内部的寄生效应一直以来被认为是影响集成电路在脉冲γ射线辐射环境中发生扰动、翻转以及闩锁的重要因素.为研究脉冲γ射线诱发N型金属氧化物场效应晶体管内部纵向寄生效应的开启机制,通过TCAD构建了40, 90以及180 nm 3种不同工艺节点的NMOS晶体管进行瞬时电离辐射效应仿真,得到了纵向寄生三极管电流增益随工艺节点的变化趋势、纵向寄生三极管的开启条件及其对NMOS晶体管工作状态的影响.结果表明:1)脉冲γ射线在辐射瞬时诱发NMOS晶体管内部阱电势抬升是导致纵向寄生三极管开启的主要原因; 2)当纵向寄生三极管导通时, NMOS晶体管内部会产生强烈的二次光电流影响晶体管的工作状态; 3) NMOS晶体管内部纵向寄生三极管的电流增益随工艺节点的减小而减小.研究结果可为电子器件的瞬时电离辐射效应机理研究提供理论依据.     

不同顺序中子/γ辐照对双极器件电流增益的影响

利用CFBR-Ⅱ快中子反应堆(中国第二座快中子脉冲堆)和60Co装置开展不同顺序的中子/γ辐照双极晶体管的实验。在集电极-发射极电压恒定条件下,测量了双极晶体管电流增益随集电极电流的变化曲线,研究不同顺序中子/γ辐照对双极晶体管电流增益的影响。分析实验结果发现,集电极-发射极电压一定时,集电极电流极低情况下电流增益退化比较大,随集电极电流增加电流增益逐渐减小;就实验选中的两类晶体管而言,先中子后γ辐照造成双极晶体管电流增益的退化程度大于先γ后中子辐照,而且PNP型晶体管比NPN型晶体管差异更明显。本文进行了双极晶体管电离/位移协同辐照效应相关机理的初步探讨。     

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.     

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.     

超陡倒掺杂分布对超深亚微米金属-氧化物-半导体器件总剂量辐照特性的改善

分析了沟道中超陡倒掺杂和均匀掺杂两种情况下超深亚微米MOS器件的总剂量辐照特性,主要比较了两种掺杂分布的器件在辐照情况下的泄漏电流与阈值电压的退化特性.结果表明,在辐照剂量500krad情况下,超陡倒掺杂器件的泄漏电流比均匀掺杂器件的泄漏电流低2—3个量级;而在辐照剂量500krad情况下,由于器件俘获的空穴量饱和,超陡倒掺杂的改善没有那么明显.但超陡倒掺杂的阈值电压漂移量比均匀掺杂的情况小约40mV.超陡倒掺杂有利于改善器件的总剂量辐照特性.文中还给出了用于改善器件辐照特性的超陡倒掺杂分布的优化设计,为超深亚微米器件抗辐照加固提供了依据.     

抗辐射双极n-p-n晶体管的研究

根据发射极周长与面积比(P/A)最小的原则,优化设计了双极n-p-n晶体管的尺寸参数,采用20 V双极型工艺设计制造了三种抗辐射加固的n-p-n晶体管.测试表明,在总剂量为1 kGy的辐照条件下,所制备的发射结加固型n-p-n晶体管和含有重掺杂基区环的n-p-n晶体管,辐照后的电流增益比常规结构的n-p-n晶体管高10%-15%;而两种加固措施都有的n-p-n晶体管,辐照后的电流增益比常规结构的n-p-n晶体管高15%-20%. 关键词： 双极n-p-n晶体管 辐射效应 电流增益 抗辐射     

埋氧注氮工艺对部分耗尽SOI PMOSFET顶栅氧的辐射硬度的影响

研究了埋氧注氮对部分耗尽SOI PMOSFET顶栅氧的总剂量辐射硬度所造成的影响。注入埋氧的氮剂量分别是8×1015 , 2×1016 和1×1017cm-2。实验结果表明，辐照前，晶体管的阈值电压随氮注入剂量的增加向负方向漂移。在正2V的栅偏压下，经5×105 rad(Si)的总剂量辐照后，同埋氧未注氮的晶体管相比，埋氧注氮剂量为8×1015 cm-2的晶体管呈现出了较小的阈值电压漂移量。然而，当注氮剂量高达2×1016 和 1×1017cm-2时，所测大多数晶体管的顶栅氧却由于5×105 rad(Si)的总剂量辐照而受到了严重损伤。另外，对于顶栅氧严重受损的晶体管，其体-漏结也受到了损伤。所有的实验结果可通过氮注入过程中对顶硅的晶格损伤来解释。     

Study of total ionizing dose radiation effects on enclosed gate transistors in a commercial CMOS technology

This paper studies the total ionizing dose radiation effects on MOS (metal-oxide-semiconductor) transistors with normal and enclosed gate layout in a standard commercial CMOS (compensate MOS) bulk process. The leakage current, threshold voltage shift, and transconductance of the devices were monitored before and after $\gamma $-ray irradiation. The parameters of the devices with different layout under different bias condition during irradiation at different total dose are investigated. The results show that the enclosed layout not only effectively eliminates the leakage but also improves the performance of threshold voltage and transconductance for NMOS (n-type channel MOS) transistors. The experimental results also indicate that analogue bias during irradiation is the worst case for enclosed gate NMOS. There is no evident different behaviour observed between normal PMOS (p-type channel MOS) transistors and enclosed gate PMOS transistors.     

Total dose radiation effects on SOI NMOS transistors with different layouts

Partially-depleted Silicon-On-Insulator Negative Channel Metal Oxide Semiconductor (SOI NMOS)transistors with different layouts are fabricated on radiation hard Separation by IMplanted OXygen (SIMOX)substrate and tested using 10 keV X-ray radiation sources.The radiation performance is characterized by transistor threshold voltage shift and transistor leakage currents as a function of the total dose up to 2.0×106 rad(Si).The results show that the total dose radiation effects on NMOS devices are very sensitive to their layout structures.     

深亚微米金属氧化物场效应晶体管及寄生双极晶体管的总剂量效应研究

为从工艺角度深入研究航空航天用互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺混合信号集成电路总剂量辐射损伤机理, 选取国产CMOS 工艺制作的NMOS晶体管及寄生双极晶体管进行了⁶⁰Coγ射线源下的总剂量试验研究. 发现: 1) CMOS工艺中固有的寄生效应导致NMOS晶体管截止区漏电流对总剂量敏感, 随总剂量累积而增 大; 2) 寄生双极晶体管总剂量损伤与常规双极晶体管不同, 表现为对总剂量不敏感, 分析认为两者辐射损伤的差异来源于制作工艺的不同; 3)寄生双极晶体管与NMOS晶体 管的总剂量损伤没有耦合效应; 4)基于上述研究成果, 初步分析CMOS工艺混合信号集成电路中数字模块及模拟模块辐射损伤机制, 认为MOS晶体管截止漏电流增大是导致数字模块功耗增大的主因, 而Bandgap电压基准源模块对总剂量不敏感源于寄生双极晶体管抗总剂量辐射的能力. 关键词： 总剂量效应 N沟道金属氧化物场效应晶体管 寄生双极晶体管 Bandgap基准电压源     

A novel technique for predicting ionizing radiation effects of commercial MOS devices

A nondestructive selection technique for predicting ionizing radiation effects of commercial metal-oxide-semiconductor (MOS) devices has been put forward. The basic principle and application details of this technique have been discussed. Practical application for the 54HC04 and 54HC08 circuits has shown that the predicted radiation-sensitive parameters such as threshold voltage, static power supply current and radiation failure total dose are consistent with the experimental results obtained only by measuring original electrical parameters. It is important and necessary to choose suitable information parameters. This novel technique can be used for initial radiation selection of some commercial MOS devices.     

Comparison of effect of 5 MeV proton and Co-60 gamma irradiation on silicon NPN rf power transistors and N–channel depletion MOSFETs

NPN transistors and N-channel depletion metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFETs) were irradiated with 5?MeV protons and ⁶⁰Co gamma radiation in the dose ranging from 1?Mrad(Si) to 100?Mrad(Si). The different electrical characteristics of the NPN transistor such as Gummel characteristics, excess base current (ΔI_B), dc current gain (h_FE), transconductance (g_m), displacement damage factor (K) and output characteristics were studied as a function of total dose. The different electrical characteristics of N-channel MOSFETs such as threshold voltage (V_th), density of interface trapped charges (ΔN_it), density of oxide trapped charges (ΔN_ot), transconductance (g_m), mobility (µ) and drain saturation current (I_DSat) were studied systematically before and after irradiation in the same dose ranges. A considerable increase in the base current (I_B) and decrease in the h_FE, g_m and collector saturation current (I_CSat) were observed after irradiation in the case of the NPN transistor. In the N-channel MOSFETs, the ΔN_it and ΔN_ot were found to increase and V_th, g_m, µ and I_DSat were found to decrease with increase in the radiation dose. The 5?MeV proton irradiation results of both the NPN transistor and N-channel MOSFETs were compared with ⁶⁰Co gamma-irradiated devices in the same dose ranges. It was observed that the degradation in 5?MeV proton-irradiated devices is more when compared with the ⁶⁰Co gamma-irradiated devices at higher total doses.     

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     

金属-氧化物-半导体场效应管辐射效应模型研究

基于氧化层陷阱电荷以及界面陷阱电荷的产生动力学以及辐射应力损伤的微观机理,推导出了金属-氧化物-半导体场效应管(MOSFET)中辐射应力引起的氧化层陷阱电荷、界面陷阱电荷导致的阈值电压漂移量与辐射剂量之间定量关系的模型. 根据模型可以得到:低剂量情况下,氧化层陷阱电荷与界面陷阱电荷导致的阈值电压漂移量与辐射剂量成正比;高剂量情况下,氧化层陷阱电荷导致的阈值电压漂移量发生饱和, 其峰值与辐射剂量无关,界面陷阱电荷导致的阈值电压漂移量与辐射剂量呈指数关系. 另外,模型还表明氧化层陷阱电荷与界面陷阱电荷在不同的辐射剂量点开始产生饱和现象, 其中界面陷阱电荷先于氧化层陷阱电荷产生饱和现象.最后,用实验验证了该模型的正确性. 该模型可以较为准确地预测辐射应力作用下MOSFET的退化情况.