0．8μm SOI CMOS技术及电路研制

SOI CMOS技术在一些特殊应用领域中有着体硅无法比拟的优势文中叙述采用SIMOX材料和0.8μm SOI CMOS工艺加固技术成功研制出抗辐射性能较好的器件和电路,并且给出了SOI CMOS器件的特性随辐照总剂量的变化关系,试验电路通过了总剂量500 Krad(Si)钴60γ射线辐照实验。     

总剂量辐射对0.5μm部分耗尽SOI CMOS器件的影响

介绍了基于SIMOX SOI晶圆的0.5μm PD SOI CMOS器件的抗总剂量辐射性能。通过CMOS晶体管的阈值电压漂移,泄漏电流和32位DSP电路静态电流随总剂量辐射从0增加到500 krad(Si)的变化来表现该工艺技术的抗电离总剂量辐射能力。对于H型(无场区边缘)NMOS晶体管,前栅阈值电压漂移小于0.1 V;对于H型PMOS晶体管,前栅阈值电压漂移小于0.15 V;未发现由辐射引起的显著漏电。32位DSP电路在500 krad(Si)范围内,静态电流小于1 m A。通过实验数据表明,在较高剂量辐射条件下,利用该工艺制造的ASIC电路拥有良好的抗总剂量辐射性能。     

抗辐射SOI器件栅氧可靠性研究

对抗辐射SOI器件栅氧可靠性进行研究,比较了体硅器件、SOI器件、抗总剂量加固SOI器件的栅氧可靠性,发现SOI材料片的制备与抗总剂量加固过程中的离子注入工艺都会对顶层硅膜造成影响,进而影响栅氧可靠性。最后通过恒压应力法表征栅氧介质随时间击穿(TDDB)的可靠性,结果显示抗总剂量辐射加固工艺的12.5 nm栅氧在125℃高温5.5 V工作电压下TDDB寿命达到14.65年,满足SOI抗总剂量辐射加固工艺对栅氧可靠性的需求。     

SOI MOSFET 抗辐射加固的常用方法与新结构

SOI CMOS技术存在许多优势,但由于存在厚的埋氧层,其总剂量效应反而比体Si器件更差,因此需进行总剂量抗辐射加固设计.对几种SOI MOSFET的栅氧、埋氧和场氧总剂量抗辐射加固的方法进行了对比较分析,指出了各自的优劣势,给出了研究方向.并对FLEXFET和G4-FET三维SOI器件抗辐射加固新结构进行了阐述,分析了其优越性.     

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。     

抗辐射高压SOI埋氧总剂量效应研究

研究了抗辐射高压SOI埋氧总剂量加固技术,发现在总剂量辐射条件下不同埋氧加固工艺背栅阈值变化的情况。通过增加埋氧加固技术可以有效地抑制总剂量辐射环境下对高压器件的调制效应。     

超深亚微米SOI总剂量效应泄漏电流模型

总剂量辐射效应会导致绝缘体上硅金属氧化物半导体场效应晶体管(SOI MOSFET)器件的阈值电压漂移、泄漏电流增大等退化特性。浅沟槽隔离(STI)漏电是器件退化的主要因素,会形成漏极到源极的寄生晶体管。针对130 nm部分耗尽(PD) SOI NMOSFET器件的总剂量辐射退化特性,建立了一个包含总剂量辐射效应的通用模拟电路仿真器(SPICE)模型。在BSIM SOI标准工艺集约模型的基础上,增加了STI寄生晶体管泄漏电流模型,并考虑了辐射陷阱电荷引起寄生晶体管的等效栅宽和栅氧厚度的变化。通过与不同漏压下、不同宽长比的器件退化特性的实验结果对比,该模型能够准确反映器件辐射前后的漏电流特性变化,为器件的抗辐射设计提供参考依据。     

STI场区加固NMOS器件总剂量效应

基于0.18 μm CMOS工艺开发了浅槽隔离(STI)场区抗总剂量辐射加固技术,采用离子注入技术使STI/衬底界面处的P型硅反型阈值提高,从而增强NMOS器件的抗辐射能力。实验表明,加固NMOS器件在500 krad(Si)剂量点时,阈值电压无明显漂移,漏电流保持在10-12量级,其抗辐射性能明显优于非加固NMOS器件。通过STI场区加固工艺的研究,可有效提高电路的抗总剂量辐射能力,同时避免设计加固造成芯片面积增大的问题。     

SOI抗总剂量辐射加固工艺栅氧可靠性研究

文章对采用了埋层二氧化硅抗总剂量加固工艺技术的SOI器件栅氧可靠性进行研究,比较了干法氧化和湿法氧化工艺的栅氧击穿电荷,干法氧化的栅氧质量劣于湿法氧化。采用更敏感的12.5nm干法氧化栅氧工艺条件,对比采用抗总剂量辐射加固工艺前后的栅氧可靠性。抗总剂量辐射加固工艺降低了栅氧的击穿电压和击穿时间。最后通过恒压法表征加固工艺的栅氧介质随时间击穿(TDDB)的可靠性,结果显示抗总剂量辐射加固工艺的12.5nm栅氧在常温5.5V工作电压下TDDB寿命远大于10年,满足SOI抗总剂量辐射加固工艺对栅氧可靠性的需求。     

抗辐射128kb PDSOI静态随机存储器

介绍在部分耗尽绝缘体上硅(PD SOI)衬底上形成的抗辐射128kb静态随机存储器.在设计过程中,利用SOI器件所具有的特性,对电路进行精心的设计和层次化版图绘制,通过对关键路径和版图后全芯片的仿真,使得芯片一次流片成功.基于部分耗尽SOI材料本身所具有的抗辐射特性,通过采用存储单元完全体接触技术和H型栅晶体管技术,不仅降低了芯片的功耗,而且提高了芯片的总体抗辐射水平.经过测试,芯片的动态工作电流典型值为20mA@10MHz,抗总剂量率水平达到500krad(Si),瞬态剂量率水平超过2.45×1011 rad(Si)/s.这些设计实践必将进一步推动PD SOI CMOS工艺的研发,并为更大规模抗辐射电路的加固设计提供更多经验.     

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。     

抗辐射128kb PDSOI静态随机存储器

介绍在部分耗尽绝缘体上硅(PD SOI)衬底上形成的抗辐射128kb静态随机存储器.在设计过程中,利用SOI器件所具有的特性,对电路进行精心的设计和层次化版图绘制,通过对关键路径和版图后全芯片的仿真,使得芯片一次流片成功.基于部分耗尽SOI材料本身所具有的抗辐射特性,通过采用存储单元完全体接触技术和H型栅晶体管技术,不仅降低了芯片的功耗,而且提高了芯片的总体抗辐射水平.经过测试,芯片的动态工作电流典型值为20mA@10MHz,抗总剂量率水平达到500krad(Si),瞬态剂量率水平超过2.45×1011 rad(Si)/s.这些设计实践必将进一步推动PD SOI CMOS工艺的研发,并为更大规模抗辐射电路的加固设计提供更多经验.     

PDSOI静态随机存储器的总剂量辐照加固

对PDSOI CMOS 器件及电路进行总剂量辐照的加固势必会引起其性能下降,这就需要在器件及电路加固和其性能之间进行折中.从工艺集成的角度,对PDSOI CMOS器件和电路的总剂量辐照敏感区域:正栅氧化层、场区氧化层及埋氧层提出了折中的方法.采用此种方法研制了抗总剂量辐照PDSOI SRAM ,进行总剂量为2×105 rad(Si)的辐照后SRAM的各项功能测试均通过,静态电流的变化满足设计要求,取数时间:辐照前为26.3 ns;辐照后仅为26.7 ns.     

磷离子注入对部分耗尽SOI MOS总剂量背栅效应的影响

本文研究了背栅磷离子注入加固技术对部分耗尽绝缘体上硅（silicon-on-insulator, SOI）MOS器件抗总剂量辐射性能提升的机理。认为可以对背栅沟道处进行磷离子注入,改变界面处的离子浓度分布,通过引入电子陷阱,抵消背栅界面陷阱俘获正电荷,从而改善背栅效应,提高器件的抗辐射性能。通过用高浓度磷离子对部分耗尽SOI NMOS器件背栅进行离子注入,大大减小了器件的背栅效应,实验器件的抗辐射能力能够达到1M rad（Si）。     

不同结构nMOS管的总剂量辐射效应北大核心CSCD

X射线直接成像的CMOS图像传感器由于工作在X射线辐射下,其内部器件会因为辐射效应引起性能恶化,因此需要对器件进行抗辐射加固并研究辐射对器件参数的影响。辐射导致的氧化物陷阱电荷及界面陷阱电荷受到栅氧厚度、偏置电压大小、辐射总剂量以及剂量率等多种因素影响。设计了n型场效应晶体管辐射加固结构版图,用0.5μm CMOS工艺流片,并进行了30 kGy(Si)的总剂量辐照效应实验。实验结果显示,所设计的n型场效应晶体管在辐射之后漏电流有所增加、跨导减小、阈值电压向负向漂移;辐射加固晶体管在漏电流性能上较未加固晶体管更好,在跨导改变和阈值电压漂移上未能表现出其更优的性能。     

抗总剂量辐射0.8μm SOI CMOS器件与专用集成电路

介绍了采用全剂量SIMOX SOI材料制备的0.8μm SOI CMOS器件的抗总剂量辐射特性,该特性用器件的阈值电压、漏电流和专用集成电路的静态电流与高达500krad(Si)的总剂量的关系来表征.实验结果表明pMOS器件在关态下1Mrad(Si)辐射后最大阈值电压漂移小于320mV,nMOS器件在开态下1Mrad(Si)辐射后最大阈值电压漂移小于120mV,器件在总剂量1Mrad(Si)辐射后没有观察到明显漏电,在总剂量500krad(Si)辐射下专用集成电路的静态电流小于5μA.     

抗总剂量辐射0.8μm SOI CMOS器件与专用集成电路

介绍了采用全剂量SIMOX SOI材料制备的0.8μm SOI CMOS器件的抗总剂量辐射特性,该特性用器件的阈值电压、漏电流和专用集成电路的静态电流与高达500krad(Si)的总剂量的关系来表征.实验结果表明pMOS器件在关态下1Mrad(Si)辐射后最大阈值电压漂移小于320mV,nMOS器件在开态下1Mrad(Si)辐射后最大阈值电压漂移小于120mV,器件在总剂量1Mrad(Si)辐射后没有观察到明显漏电,在总剂量500krad(Si)辐射下专用集成电路的静态电流小于5μA.     

抗总剂量Boost型 DC-DC转换器设计

采用设计加固方法,基于标准商业0.35微米CMOS工艺,设计了抗总剂量Boost型 DC-DC转换器芯片。从系统设计角度出发,综合采用了同步整流、高开关频率、自适应动态斜坡补偿等技术提高DC-DC转换器性能和抗辐照能力;分别从电路级和器件级对转换器进行了加固设计。考虑DC-DC转换器总剂量效应,电路级加固分别从模拟电路加固和数字电路加固着手;提高环路稳定裕度,有效的提高转换器反馈环路的抗总剂量能力。为有效的降低场区辐射寄生漏电,器件级采取的加固措施是转换器的控制部分MOS管采用H栅实现,输出功率MOS管采用环形栅实现。辐照实验结果表明,设计的抗总剂量Boost型 DC-DC转换器在总剂量超过120 krad (Si )后才出现功能失效,而非加固的电路在总剂量超过80 krad (Si )后才出现功能失效;加固电路的辐照后电流明显小于非加固电路;加固电路的辐照后效率也高于非加固电路。     

不同结构nMOS管的总剂量辐射效应

X射线直接成像的CMOS图像传感器由于工作在X射线辐射下,其内部器件会因为辐射效应引起性能恶化,因此需要对器件进行抗辐射加固并研究辐射对器件参数的影响。辐射导致的氧化物陷阱电荷及界面陷阱电荷受到栅氧厚度、偏置电压大小、辐射总剂量以及剂量率等多种因素影响。设计了n型场效应晶体管辐射加固结构版图,用0.5μm CMOS工艺流片,并进行了30 kGy(Si)的总剂量辐照效应实验。实验结果显示,所设计的n型场效应晶体管在辐射之后漏电流有所增加、跨导减小、阈值电压向负向漂移;辐射加固晶体管在漏电流性能上较未加固晶体管更好,在跨导改变和阈值电压漂移上未能表现出其更优的性能。     

铝栅体硅CMOS器件总剂量加固的工艺技术

本文拟讨论辐射加固的铝栅体硅CMOS集成电路的工艺优化和设计。文中描述了加固的基本考虑,部分工艺试验,辐照结果和工艺筛选结果及例行试验结果。一个较全面的方案,是要评价工艺参数对CMOS电路加固性能的影响,以建立一个有依据的辐射加固工艺。这里集中探讨改进的场氧工艺、栅氧工艺、版图设计和蒸铝工艺。研究所获得的优化加固工艺使器件的总剂量加固水平高于1×10~4Gy(Si)。文中评价了采用此加固工艺的器件成品率,并通过例行试验证明了器件的可靠性。