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     

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     

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     

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.     

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.     

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.     

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．     

超深亚微米器件总剂量辐射效应三维数值模拟

本文分析了浅槽隔离(STI)结构辐射诱导电荷的分布情况,给出一种模拟超深亚微米器件总剂量辐射效应的新方法.研究结果表明,如果在栅附近沿着STI侧墙不加辐照缺陷,仿真出的0.18 μm超深亚微米晶体管亚阈区I-V特性没有反常的隆起,并且能够很好地反映试验结果.在研究总剂量辐照特性改善方面,在剂量不是很大的情况下,采用超陡倒掺杂相对于均匀掺杂能有效地减小辐照所引起的泄漏电流.如果采用峰值(Halo)掺杂,不仅有利于提高超深亚微米器件的抗辐照能力,而且在大剂量的情况下,可以得到明显的效果. 关键词： 总剂量 超陡倒掺杂 Halo掺杂 辐射效应     

$lt;i$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     

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.     

Bias dependence of a deep submicron NMOSFET response to total dose irradiation

Deep submicron n-channel metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (NMOSFETs) with shallow trench isolation (STI) are exposed to ionizing dose radiation under different bias conditions.The total ionizing dose radiation induced subthreshold leakage current increase and the hump effect under four different irradiation bias conditions including the worst case (ON bias) for the transistors are discussed.The high electric fields at the corners are partly responsible for the subthreshold hump effect.Charge trapped in the isolation oxide,particularly at the Si/SiO 2 interface along the sidewalls of the trench oxide creates a leakage path,which becomes a dominant contributor to the offstate drain-to-source leakage current in the NMOSFET.Non-uniform charge distribution is introduced into a threedimensional (3D) simulation.Good agreement between experimental and simulation results is demonstrated.We find that the electric field distribution along with the STI sidewall is important for the radiation effect under different bias conditions.     

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.     

Impact of substrate bias on radiation-induced edge effects in MOSFETs

This paper investigates the effects of gamma-ray irradiation on the Shallow-Trench Isolation (STI) leakage currents in 180-nm complementary metal oxide semiconductor technology. No hump effect in the subthreshold region is observed after irradiation, which is considered to be due to the thin STI corner oxide thickness. A negative substrate bias could effectively suppress the STI leakage, but it also impairs the device characteristics. The three-dimensional simulation is introduced to understand the impact of substrate bias. Moreover, we propose a simple method for extracting the best substrate bias value, which not only eliminates the STI leakage but also has the least impact on the device characteristics.     

Utilizing a shallow trench isolation parasitic transistor to characterize the total ionizing dose effect of partially-depleted silicon-on-insulator input/output n-MOSFETs

We investigate the effects of 60 Co γ-ray irradiation on the 130 nm partially-depleted silicon-on-isolator(PDSOI)input/output(I/O) n-MOSFETs. A shallow trench isolation(STI) parasitic transistor is responsible for the observed hump in the back-gate transfer characteristic curve. The STI parasitic transistor, in which the trench oxide acts as the gate oxide,is sensitive to the radiation, and it introduces a new way to characterize the total ionizing dose(TID) responses in the STI oxide. A radiation enhanced drain induced barrier lower(DIBL) effect is observed in the STI parasitic transistor. It is manifested as the drain bias dependence of the radiation-induced off-state leakage and the increase of the DIBL parameter in the STI parasitic transistor after irradiation. Increasing the doping concentration in the whole body region or just near the STI sidewall can increase the threshold voltage of the STI parasitic transistor, and further reduce the radiation-induced off-state leakage. Moreover, we find that the radiation-induced trapped charge in the buried oxide leads to an obvious front-gate threshold voltage shift through the coupling effect. The high doping concentration in the body can effectively suppress the radiation-induced coupling effect.     

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.     

Suppressing the hot carrier injection degradation rate in total ionizing dose effect hardened nMOSFETs

Annular gate nMOSFETs are frequently used in spaceborne integrated circuits due to their intrinsic good capability of resisting total ionizing dose (TID) effect. However, their capability of resisting the hot carrier effect (HCE) has also been proven to be very weak. In this paper, the reason why the annular gate nMOSFETs have good TID but bad HCE resistance is discussed in detail, and an improved design to locate the source contacts only along one side of the annular gate is used to weaken the HCE degradation. The good TID and HCE hardened capability of the design are verified by the experiments for I/O and core nMOSFETs in a 0.18 μm bulk CMOS technology. In addition, the shortcoming of this design is also discussed and the TID and the HCE characteristics of the replacers (the annular source nMOSFETs) are also studied to provide a possible alternative for the designers.     

CMOS电路总剂量效应最劣偏置甄别

采用电路分析和解析建模方法研究了CMOS电路中甄别总剂量效应最劣辐照与测试偏置的问题。通过引入小规模模拟电路和数字电路的例子进行具体分析,获取了不同电路的最劣偏置情况。对于数字电路,引入了敏感因子的概念用于定量计算不同辐照与测试偏置组合下电路的总剂量效应敏感程度。利用实测数据或电路仿真结果对甄别结果进行了一一验证,得到相一致的结论,证明了该研究思路的正确性。