现代工艺集成电路的总剂量效应及加固技术

随着核技术和空间技术的发展,越来越多的电子设备不可避免地应用于各种辐射环境中。介绍两类重要的辐射环境及现代工艺集成电路总剂量效应的产生机理,详细描述电子空穴对的产生、氧化层陷阱电荷和界面陷阱的特点及对器件或电路的影响,并对现代先进工艺的抗辐射特点及应用前景进行了探讨。指出随着CMOS工艺不断按比例缩小,作为栅介质;HfO2最具应用前景,而Smart—Cut材料则是非常有发展前景的SOI材料,很可能成为今后SOI材料的主流。     

SOI器件X射线与60Coγ射线总剂量效应比较

为进行10 keV X射线和60Co γ射线总剂量辐射效应的比较,采用这两种辐射源对SOI (Silicon-on-Insulator) n-MOSFET在不同偏置条件下进行总剂量辐照试验,分析了SOI NMOS器件在两种辐射源下辐照前后的阈值电压的漂移值并进行比较.实验结果表明,SOI NMOS器件的前栅特性中X射线与60Co γ射线辐照感生阈值电压漂移值的比值α随总剂量增加而增大,而背栅特性中α值在不同偏置条件下变化趋势是不同的;在总剂量为1×106 rad(Si)时,前栅器件α值为0.6～0.75,背栅器件α值为0.76～1.0.     

SOI MOSFET器件X射线总剂量效应研究

研究了以10keV X射线为辐照源对注氧隔离(SIMOX)SOI MOSFET器件进行辐照的总剂量效应.采用ARACOR 10keV X射线对埋氧层加固样品与未加固的对比样品在开态和传输门态两种辐照偏置下进行辐照,分析了器件的特性曲线,并计算了SOI MOS器件前栅与寄生背栅晶体管辐照前后的阈值电压的漂移.实验结果表明,加固样品的抗辐射性能优越,且不同的辐照偏置对SOI MOSFET器件的辐照效应产生不同的影响.     

辐射对深亚微米NMOS器件热载流子效应的影响

We investigate how F exposure impacts the hot-carrier degradation in deep submicron NMOSFET with different technologies and device geometries for the first time. The results show that hot-carrier degradations on irradiated devices are greater than those without irradiation, especially for narrow channel device. The reason is attributed to charge traps in STI, which then induce different electric field and impact ionization rates during hotcarrier stress.     

总剂量加固对SOINMOS器件抗辐射特性的影响

采用埋层改性工艺对部分耗尽SOI NMOS器件进行总剂量加固,通过测试器件在辐射前后的电学性能研究加固对SOI NMOS器件抗辐射特性的影响。加固在埋氧层中引入电子陷阱,辐射前在正负背栅压扫描时,电子陷阱可以释放和俘获电子,导致背栅阈值电压产生漂移,漂移大小与引入电子陷阱的量有关。通过加固可以有效提高器件的抗总剂量辐射特性,电子陷阱的量对器件的抗辐射性能具有显著影响。     

辐照源对LVMOS器件总剂量辐射电离特性的影响

基于0.18μm CMOS工艺,采用浅槽隔离(STI)注入法对1.8 V LVNMOS器件进行总剂量加固,并对比分析了⁶⁰Co (315 keV)与X射线(40 keV)辐照源对LVNMOS器件总剂量特性的影响。研究结果表明,在相同偏置条件下,⁶⁰Co与X射线两种辐照源对MOS器件的辐射电离效应具有一定的差异性,前者同时具有康普顿效应和光电效应,后者是光电效应,主要是光子与内层电子作用。由LVNMOS总剂量辐照特性推测,X射线辐照源引起LVNMOS的SiO₂层中产生的电子与空穴高于60Co。     

电场偏置对MOS器件电离辐射效应的影响

研究了外加电场对MOS器件电离辐射效应的影响.采用10 keV X射线对MOS器件在正/反电场偏置条件下进行总剂量辐射,分析了MOS器件辐射前后阈值电压的漂移量.实验结果表明,正偏情况下MOS器件的阈值电压漂移量远大于反偏情况下MOS器件的阈值电压漂移量.基于一维连续性方程,在考虑电子-空穴对的复合/逃逸率、电子及空穴的捕获横截面与外加电场关系的基础上,模拟了辐射诱生栅氧化层内陷阱电荷与辐射总剂量之间的关系,分析了陷阱电荷对MOS器件阈值电压的影响,仿真结果与实验数据吻合良好.     

电离总剂量效应对HfO2栅介质经时击穿特性影响

针对纳米金属-氧化物-半导体(MOS)器件中采用的高介电常数Hf栅介质,开展电离总剂量效应对栅介质经时击穿特性影响的研究。以HfO₂栅介质MOS电容为研究对象,进行不同栅极偏置条件下⁶⁰Co-γ射线的电离总剂量辐照试验,对比辐照前后MOS电容的电流-电压、电容-电压以及经时击穿特性的测试结果。结果显示,不同的辐照偏置条件下,MOS电容的损伤特性不同。正偏辐照下,低栅压下的栅电流显著增大,电容电压特性的斜率降低;零偏辐照下,正向高栅压时栅电流和电容均显著增大;负偏辐照下,栅电流均有增大,正向高栅压下电容增大,且电容斜率降低。3种偏置下,电容的经时击穿电压均显著减小。该研究为纳米MOS器件在辐射环境下的长期可靠性研究提供了参考。     

应变Si NMOS器件总剂量辐射对单粒子效应的影响

针对应变Si NMOS器件总剂量辐射对单粒子效应的影响机制,采用计算机TCAD仿真进行研究。通过对比实验结果,构建50 nm应变Si NMOS器件的TCAD仿真模型,并使用该模型研究处于截至态(V_ds=1 V)的NMOS器件在总剂量条件下的单粒子效应。实验结果表明,总剂量辐照引入的氧化层陷阱正电荷使得体区电势升高,加剧了NMOS器件的单粒子效应。在2 kGy总剂量辐照下,漏极瞬态电流增加4.88%,而漏极收集电荷增量高达29.15%,表明总剂量辐射对单粒子效应的影响主要体现在漏极收集电荷的大幅增加方面。     

栅氧化方式对NMOS器件总剂量电离效应的影响

基于抗辐射0.6μm CMOS工艺,对5 V/20 V&LV/HV NMOS器件进行了总剂量加固结构设计,并采用叠栅氧工艺成功制备了抗总剂量能力≥500 krad(Si)高低压兼容的NMOS器件。重点研究了不同的栅氧化工艺对NMOS器件总剂量辐射电离效应的影响作用。研究发现,在抗总剂量电离能力方面,湿法氧化工艺优于干法氧化工艺:即当栅氧厚度小于12.5 nm时,LVNMOS器件因总剂量电离效应引起的阈值电压漂移ΔV_(tn)受栅氧化方式的影响甚小;当栅氧厚度为26 nm时,HVNMOS器件因总剂量电离效应引起的阈值电压漂移ΔVtn受栅氧化方式及工艺温度的影响显著。在500 krad(Si)条件下,采用850℃湿氧+900℃干氧化方式的HVNMOS器件阈值电压漂移ΔV_(tn)比采用800℃湿氧氧化方式的高2倍左右。     

偏压条件对光耦合器总剂量辐照效应的影响

通过对不同偏压条件对光耦合器总剂量辐照效应的影响进行研究,结果发现随着总剂量的增加,光耦合器电流转换率CTR会降低60％ ～ 80％,且输入低电流时光耦合器总剂量辐照损伤更严重,其原因可能是输入低电流时光耦合器内部发光二极管辐照过程中更容易产生非发光陷阱所致.     

CMOS器件的x光总剂量效应

主要介绍了塑料封装和柯伐盖封装的 CMOS器件 ,在不同情况的 x射线辐照下 ,其辐照敏感参数阈值电压随总剂量的变化关系。将 x射线辐照的结果与 60 Co辐照的结果比较得出 ,x射线辐照对器件损伤严重。同时 ,探讨了柯伐盖封装器件的剂量增强效应。     

不同偏置条件下光电耦合器的总剂量效应

开展了4N49光电耦合器不同辐照偏置条件下的辐照实验,结果表明:电流传输比的下降幅度与辐照期间的偏置条件有关,处于工作状态的光电耦合器比短路状态的总剂量效应要弱,其根源是光电耦合器的LED施加了电流,而与光敏晶体管的偏置状态关系不大;电流传输比随偏置条件的变化关系是由初级光电流决定的,而C-B区光响应度是初级光电流退化的主导因素.     

总剂量辐射中偏压对功率管的影响研究

基于漂移扩散方程的理论模型,研究了总剂量辐射效应与偏压条件的关系,逐个分析了功率管中常用偏压条件对总剂量效应的影响。根据辐照过程中SiO₂内部和Si-SiO₂界面处感生的陷阱电荷的积累情况,推测出较恶劣的偏压条件。将40 V耐压的NLDMOS和5 V耐压的NMOS功率管在0.35 μm商用BCD工艺下进行了流片,并在不同偏压条件下进行了Co⁶⁰总剂量辐照实验,对总剂量辐照中的偏压效应进行了测试验证。实验结果证实功率管在开态偏压下的辐射退化更明显。     

不同偏置下全耗尽SOI NMOSFET总剂量抗辐射的研究

研究了不同偏置条件下,全耗尽SOI NMOSFET的总剂量抗辐射特性,主要讨论不同偏置条件对器件中陷获电荷的产生和分布,以及由此对器件性能产生的影响.通过器件模拟发现,在辐射过程中器件的偏置条件不同,造成器件的有源区和埋氧层中电场的分布有着很大的差异.而俘获电荷的产生与电场又有着紧密的联系,所以造成了俘获电荷的分布和密度有很大的不同,从而对器件的影响也不同.模拟结果表明,在三种不同的偏置条件下,OFF态（关态）时背沟道附近陷获电荷密度最高,以常数电流法估算出的阈值电压负漂移最大,同时引起了最大的本底静态漏电流.     

不同偏置下全耗尽SOI NMOSFET总剂量抗辐射的研究

研究了不同偏置条件下,全耗尽SOI NMOSFET的总剂量抗辐射特性,主要讨论不同偏置条件对器件中陷获电荷的产生和分布,以及由此对器件性能产生的影响.通过器件模拟发现,在辐射过程中器件的偏置条件不同,造成器件的有源区和埋氧层中电场的分布有着很大的差异.而俘获电荷的产生与电场又有着紧密的联系,所以造成了俘获电荷的分布和密度有很大的不同,从而对器件的影响也不同.模拟结果表明,在三种不同的偏置条件下,OFF态(关态)时背沟道附近陷获电荷密度最高,以常数电流法估算出的阈值电压负漂移最大,同时引起了最大的本底静态漏电流.     

不同偏置条件下CMOS SRAM的总剂量辐射效应

对1Mb静态随机存取存储器(SRAM)进行了不同偏置条件下的总剂量辐照效应研究.结果表明,试验选取的CMOS SRAM器件为总剂量辐射敏感器件,辐照偏置条件对器件的电参数退化和功能失效有较大影响.在三种偏置条件中,静态加电为最劣偏置,其次是工作状态,浮空状态时器件的辐射损伤最小.在工作状态和静态加电两种偏置条件下,静态功耗电流的退化与器件功能失效密切相关,可作为器件功能失效的预警量.     

电离辐射对CMOS运算放大器恒流偏置电路的影响

介绍了确定 CMOS运算放大器各级工作点的恒流源偏置电路随辐照总剂量变化的响应特征及其辐照敏感性对运放整体性能参数的影响规律。结果表明 ,恒流源特性的衰降对电参数的变化有一定的影响 ,但在一定范围内并不是造成辐射感生运放电参数衰变的最主要原因     

部分耗尽SOI NMOSFET总剂量辐照的最坏偏置

通过模拟对ON、OFF、TG三种偏置下PD SOI NMOSFET的总剂量辐照效应进行了研究.模拟发现正沟道的最坏偏置是ON偏置,背沟道的最坏偏置与总剂量有关.当总剂量大时,背沟道的最坏偏置是OFF偏置;当总剂量小时则是TG偏置.而NMOSFET的最坏偏置则取决于起主要作用的是正栅还是背栅.由于辐照产生电子空穴对的过程与电场分布强相关,通过分析不同偏置下电场分布的差异确定最坏偏置的内在机制.