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．     

电子辐射环境中NPN输入双极运算放大器的辐射效应和退火特性

本文对不同偏置下的NPN输入双极运算放大器LM108分别在1.8 MeV和1 MeV两种电子能量下、不同束流电子辐照环境中的损伤特性及变化规律进行了研究, 分析了不同偏置状态下其辐照敏感参数在辐照后三种温度 (室温, 100 ℃, 125 ℃) 下随时间变化的关系, 讨论了引起电参数失效的机理, 并且分析了器件在室温和高温的退火效应以讨论引起器件电参数失效的机理. 结果表明, 1.8 MeV和1 MeV 电子对运算放大器LM108主要产生电离损伤, 相同束流下1.8 MeV电子造成的损伤比1 MeV 电子更大, 相同能量下0.32 Gy(Si)/s束流电子产生的损伤大于1.53 Gy(Si)/s束流电子. 对于相同能量和束流的电子辐照, 器件零偏时的损伤大于正偏时的损伤. 器件辐照后的退火行为都与温度有较大的依赖关系, 而这种关系与辐照感生的界面态密度增长直接相关.     

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.     

AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管器件电离辐照损伤机理及偏置相关性研究

本文利用~(60)Coγ射线,针对AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(high-electron mobility transistors,HEMT)器件,开展了在不同偏置下器件电离辐照总剂量效应实验研究.采用1/f噪声结合直流电学特性参数对实验结果进行测量分析,分析结果表明,受到辐照诱生氧化物缺陷电荷与界面态的影响,当辐照总剂量达到1 Mrad(Si)时,零偏条件下AlGaN/GaN HEMT器件的电学参数退化得最大,其中,饱和漏电流减小36.28%,最高跨导降低52.94%;基于McWhorter模型提取了AlGaN/GaN HEMT器件辐照前后的缺陷密度,零偏条件下辐照前后缺陷密度变化最大,分别为4.080×10~(17)和6.621×10~(17)cm~(-3)·eV~(-1).其损伤机理是在氧化物层内诱生缺陷电荷和界面态,使AlGaN/GaN HEMT器件的平带电压噪声功率谱密度增加.     

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.     

倒装芯片塑料球栅阵列封装器件在外应力下的失效机理

倒装芯片塑料球栅阵列(FC-PBGA)封装形式独特而被广泛应用, 分析研究其在实际应用过程中, 在高温、电、水汽等多种综合环境应力条件作用下的失效机理对提高其应用可靠性有重要意义. 本文对0.13 μm 6层铜布线工艺的FC-PBGA FPGA器件, 通过暴露器件在以高温回流焊过程中的热-机械应力为主的综合外应力作用下的失效模式, 分析与失效模式相对应的失效机理. 研究结果表明, FC-PBGA器件组装时的内外温差及高温回流焊安装过程中所产生的热-机械应力是导致失效的根本原因, 在该应力作用下, 芯片上的焊球会发生再熔融、桥接相邻焊球致器件短路失效; 芯片与基板之间的填充料会发生裂缝分层、倒装芯片焊球开裂/脱落致器件开路失效; 芯片内部的铜/低k互连结构的完整性受损伤而影响FC-PBGA器件的使用寿命.     

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.     

超薄屏蔽层300 V SOI LDMOS抗电离辐射总剂量仿真研究

本文研究了300 V绝缘体上硅横向双扩散金属氧化物半导体场效应管在电离辐射总剂量效应下的线性电流退化机理,提出了一种具有超薄屏蔽层的抗辐射结构实现线性电流加固.超薄屏蔽层位于器件场氧化层的下方,旨在阻止P型掺杂层表面发生反型,从而截断表面电流路径,有效抑制线性电流的退化.对于横向双扩散金属氧化物半导体场效应管,漂移区上的场氧化层中引入的空穴对线性电流的退化起着主导作用.本文基于器件工艺仿真软件,研究器件在辐照前后的电学特性,对超薄屏蔽层的长度、注入能量、横向间距进行优化,给出相应的剂量窗口,在电离辐射总剂量为0—500 krad(Si)的条件下,将最大线性电流增量从传统结构的447%缩减至10%以内,且辐照前后击穿电压均维持在300 V以上.     

甲基苯基乙烯基硅橡胶电离总剂量效应

甲基苯基乙烯硅橡胶具有耐高低温、防震等独特优势,在航天器的减震、密封等领域具有广泛应用前景。研究了甲基苯基乙烯基硅橡胶的电离总剂量效应。结果表明,随着辐射剂量的增加,甲基苯基乙烯基硅橡胶的力学性能出现了不同程度的退化。拉伸强度和撕裂强度变化规律以1×106 Gy(Si)剂量点为分界点。低于该剂量,拉伸和撕裂随剂量增加快速下降;高于该剂量时,随辐照剂量增加,拉伸强度出现一定程度反弹,呈现出宽"U"形,而撕裂强度则是先增加后下降。拉断伸长率和邵氏硬度A随辐照剂量增加分别出现快速下降和增加,最终接近饱和。最后,从辐射交联和裂解方面讨论了甲基苯基乙烯基硅橡胶电离总剂量效应的潜在物理机制。     

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．     

基于环形栅和半环形栅N沟道金属氧化物半导体晶体管的总剂量辐射效应研究

在商用0.35 μm互补金属氧化物半导体工艺上制备了两种栅氧化层厚度(t_ox)的条形栅、环形栅和半环形栅N沟道金属氧化物半导体 (n-channel metal oxide semiconductor, 简记为NMOS) 晶体管, 并进行了2000 Gy(Si)的总剂量辐射效应实验. 实验结果显示, 栅氧厚度对阈值电压漂移的影响大于栅氧厚度的3次方. 对于t_ox为11 nm的低压NMOS晶体管, 通过环形栅或半环形栅的加固方式能将其抗总剂量辐射能力从300 Gy(Si)提高到2000 Gy(Si)以上; 而对于t_ox为26 nm的高压NMOS晶体管, 通过环栅或半环栅的加固方式, 则只能在低于1000 Gy(Si)的总剂量下, 一定程度地抑制截止漏电流的增加. 作为两种不同的版图加固方式, 环形栅和半环形栅对同一t_ox的NMOS器件加固效果类似, 环形栅的加固效果略优于半环形栅. 对于上述实验结果, 进行了理论分析并阐释了产生这些现象的原因. 关键词： 环形栅 半环形栅 总剂量 辐射效应     

国产星用VDMOS器件总剂量辐射损伤效应研究

研究了两种国产星用VDMOS器件在不同偏置条件下的总剂量辐射损伤效应, 探讨了器件的阈值电压、击穿电压、导通电阻、漏电流等电参数随累积剂量、退火时间的变化关系. 实验结果表明这两种国产星用VDMOS器件辐照后电参数符合技术指标, 满足在复杂空间电离辐射环境下工作的要求.此外, 通过对器件在不同偏置条件下的总剂量辐射损伤效应进行研究, 对其他型号星用VDMOS器件工艺和设计的进一步改进, 具有参考作用.     

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.     

A comparison of ionizing radiation damage in CMOS devices from 60Co gamma rays, electrons and protons

Radiation hardened CC4007RH and non-radiation hardened CC4011 devices were irradiated using 80Co gamma rays, 1 MeV electrons and 1--9 MeV protons to compare the ionizing radiation damage of the gamma rays with the charged particles. For all devices examined, with experimental uncertainty, the radiation induced threshold voltage shifts (△Vth) generated by 60Co gamma rays are equal to that of 1 MeV electron and 1-7 MeV proton radiation under 0 gate bias condition. Under 5 V gate bias condition, the distinction of threshold voltage shifts (△Vth) generated by 60Co gamma rays and 1 MeV electrons irradiation are not large, and the radiation damage for protons below 9 MeV is always less than that of 60Co gamma rays. The lower energy the proton has, the less serious the radiation damage becomes.     

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.     

Total ionizing dose effects of domestic Si Ge HBTs under different dose rates

The total ionizing radiation(TID) response of commercial NPN silicon germanium hetero-junction bipolar transistors(Si Ge HBTs) produced domestically are investigated under dose rates of 800 m Gy(Si)/s and 1.3 m Gy(Si)/s with a Co-60 gamma irradiation source. The changes of transistor parameters such as Gummel characteristics, and excess base current before and after irradiation, are examined. The results of the experiments show that for the KT1151, the radiation damage is slightly different under the different dose rates after prolonged annealing, and shows a time dependent effect(TDE). For the KT9041, however, the degradations of low dose rate irradiation is higher than for the high dose rate, demonstrating that there is a potential enhanced low dose rate sensitivity(ELDRS) effect for the KT9041. The possible underlying physical mechanisms of the different dose rates responses induced by the gamma rays are discussed.     

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.     

双极电压比较器电离辐射损伤及剂量率效应分析

为了对双极电压比较器在电离辐射环境下的损伤变化特征及其剂量率效应进行研究,选择一组器件,在不同偏置条件下进行60Coγ高低剂量率的辐照和退火试验.结果表明:电压比较器的电源电流、偏置电流及失调电压等多个关键参数都有不同程度的蜕变;偏置条件对于电压比较器的辐射响应有很大影响;此外,不同公司生产的同种型号电路表现出不同的剂量率效应;通过对测试结果分析,系统地讨论了各参数变化的原因,并结合电离损伤退火特性,探讨了各剂量率效应形成的机理.研究结果对工程应用考核提供了参考,而且为设计抗辐射加固器件提供了依据.