极端低温下硅基器件和电路特性研究进展

讨论了在极端低温下,硅基半导体在器件级和电路级特性的研究进展。在器件级,分析了极端低温下体硅器件和SOI器件常规电学特性的异常变化,讨论了一些只在极端低温下出现的特殊效应,如载流子冻结效应,阐述了极端低温下提取器件参数的方法。在电路级,分析了极端低温下反相器、CMOS运算放大器和DRAM的性能相对于常温下的变化,对比了极端低温下不同结构的电路在性能和稳定性方面的差异。最后,介绍了国内外相关研究领域的现状,并提出了未来极端低温微电子技术的发展方向。     

绝缘体上硅动态阈值nMOSFETs特性研究

基于绝缘体上硅技术,提出并研制动态阈值nMOSFETs结构.阐述了动态阈值nMOSFETs的工作原理.动态阈值nMOSFETs的阈值电压从VBS=0 V时的580 mV动态变化到VBS=0.6 V时的220 mV,但是这种优势并没有以增加漏电流为代价.因此动态阈值nMOSFETs的驱动能力较之浮体nMOSFETs在低压情况下,更具有优势.工作电压为0.6 V时,动态阈值nMOSFETs的驱动能力是浮体的25.5倍,0.7 V时为12倍.而且浮体nMOSFETs中的浮体效应,诸如Kink效应,反常亚阈值斜率和击穿电压降低等,均被动态阈值nMOSFETs结构有效抑制.     

深亚微米抗辐照PDSOI nMOSFET的热载流子效应

基于中国科学院微电子研究所开发的0.35 μm SOI工艺,制备了深亚微米抗辐照PDSOI H型栅nMOSFET.选取不同沟道宽度进行加速应力实验.实验结果表明,热载流子效应使最大跨导变化最大,饱和电流变化最小,阈值电压变化居中.以饱和电流退化10%为失效判据,采用衬底/漏极电流比率模型,对器件热载流子寿命进行估计,发现同等沟道长度下,沟道越宽的器件,载流子寿命越短.     

薄栅氧化层0.25μm RF PDSOI NMOSFETs电离总剂量辐照效应研究

本文研制了一种与0.1μm SOI CMOS工艺兼容的射频PD SOI NMOSFET,并分析了电离总剂量辐照对四种不同结构射频器件的静态特性和频率特性的影响,分别包括前/背栅阈值、泄漏电流、跨导,输出特性以及交流小信号电流增益和最大有效/稳定增益。实验表明,在室温环境下经过总剂量为1Mrad(Si)的g射线辐照,所有的射频PDSOI NMOSFET的静态和射频特性均表现出明显退化,其中以浮体NMOSFET变化最大。虽然损失了部分驱动电流、开关速度和高频特性,LBBC型体接触结构的射频器件仍表现出优于GBBC和BTS型体接触结构的射频器件的抗电离总剂量辐照的能力。     

PDSOI体源连接环形栅nMOS特性研究

提出了一种基于部分耗尽绝缘体上硅的体源连接环形栅nMOS器件,并讨论了相应的工艺技术和工作机理。采用体源连接环形栅器件结构,有效地抑制了浮体环形栅器件中存在的浮体效应和寄生双极晶体管效应,使器件性能得到很大的提高。消除了浮体环形栅器件的反常亚阈值斜率和Kink效应,DIBL从120.7mV/V降低到3.45mV/V,关态击穿电压从4.8V提高到12.1V。最后指出,体源连接环形栅器件非常适合于抗辐照加固等应用领域。     

PD SOI MOSFET低频噪声研究进展

随着器件尺寸的不断减小,PD SOI器件的低频噪声特性对电路稳定性的影响越来越大.研究了PD SOI器件低频过冲噪声现象,分析了此类器件在发生浮体效应、栅致浮体效应以及前背栅耦合效应时低频过冲噪声的产生机理及影响因素.最后指出,可以通过添加体接触或将PD SOI器件改进为双栅结构,达到有效抑制低频过冲噪声的目的.     

SOI LDMOSFET的背栅特性

在绝缘体上硅衬底上,制备了栅长为0.5μm的低势垒体接触结构和源体紧密接触结构的横向双扩散功率晶体管.详细研究了器件的背栅特性.背栅偏置电压对横向双扩散功率晶体管的前栅亚阈值特性、导通电阻和关态击穿特性均有明显影响.相比于源体紧密接触结构,低势垒体接触结构横向双扩散功率晶体管的背栅效应更小,这是因为低势垒体接触结构更好地抑制了浮体效应和背栅沟道开启.还介绍了一种绝缘体上硅横向双扩散功率晶体管的电路模型,其包含前栅沟道,背栅沟道和背栅偏置决定的串联电阻.     

65 nm闪存芯片擦除时间退化的优化设计

随着制造工艺进入65 nm节点,闪存的可靠性问题也越来越突出,其中闪存芯片擦除速度随着擦写循环的增加出现明显退化。该文从单个存储器件的擦写退化特性入手,详细讨论了隧穿氧化层缺陷的产生原因、对器件性能的影响及其导致整个芯片擦除时间退化的内在机理,并提出针对性的优化方案:采用阶梯脉冲电压擦写方式减缓存储单元退化;对非选中区块进行字线浮空偏置以抑制擦除时的阵列干扰。该文基于65 nm NOR Flash工艺平台开发了128 Mb闪存芯片,并对该方案进行了验证,测试结果表明,采用优化设计方案的芯片经过10万次擦写后的Sector擦除时间为104.9 ms,较采用常规方案的芯片（大于200 ms）具有明显的提升。     

PDSOI nMOSFETs关态击穿特性

分别采用不同的背栅沟道注入剂量制成了部分耗尽绝缘体上硅浮体和H型栅体接触n型沟道器件.对这些器件的关态击穿特性进行了研究.当背栅沟道注入剂量从1.0×1013增加到1.3×1013cm-2,浮体n型沟道器件关态击穿电压由5.2升高到6.7V,而H型栅体接触n型沟道器件关态击穿电压从11.9降低到9V.通过测量寄生双极晶体管静态增益和漏体pn结击穿电压,对部分耗尽绝缘体上硅浮体和H型栅体接触n型沟道器件的击穿特性进行了定性解释和分析.     

核反应影响半导体器件单粒子翻转的Geant4仿真

利用MC工具Geant4研究核反应对于半导体器件单粒子翻转效应(SEU)的影响,构建了研究的一般方法。辐照过程中电学与核反应物理过程的作用决定器件中敏感单元产生的淀积电荷量的分布,核反应的物理过程对于沉积较高电荷量的贡献很大。此外,利用Geant4分析静态随机存储器(SRAM)敏感单元上的后段互连材料钨对于单粒子翻转的反应截面的影响,并进行了模拟仿真。模拟结果表明,钨层的存在会加重存储器件的单粒子翻转效应。