CMOS图像传感器辐照损伤效应仿真模拟研究进展

CMOS图像传感器(CIS)工作在空间辐射或核辐射环境中遭受的辐照损伤问题备受关注。对CIS辐照损伤效应进行仿真模拟研究有助于深入揭示辐照损伤机理,进而开展抗辐射加固设计,有效提升CIS抗辐照能力。文章通过梳理国内外开展CIS辐照损伤效应仿真模拟研究方面的进展情况,结合课题组已开展的电子元器件辐照效应仿真模拟和实验研究基础,从CIS器件建模、时序驱动电路建模、辐照损伤效应建模、仿真模拟结果校验等方面探讨了CIS辐照损伤效应的仿真模拟方法,分析总结了当前CIS辐照效应仿真模拟研究中亟待解决的关键技术问题。     

总剂量效应对CMOS图像传感器中光电二极管钳位电压的影响

钳位电压(Vpin)是影响CMOS图像传感器(CIS)中钳位光电二极管(PPD)电荷转移效率和满阱电荷容量的关键物理量.在辐照条件下,Vpin受辐射总剂量(TID)增加而升高,因此研究其机理对抗辐照CIS的设计有重要意义.文章利用TCAD仿真软件分析了 CIS器件的电学特性,研究了 Vpin受TID影响的机理.结果表明,当辐照引起的氧化物陷阱电荷浓度达到3×1016 cm-3时,浅沟槽隔离(STI)附近的耗尽区将PPD中的pin层与地极电学隔离,从而导致pin层电势易受到传输晶体管TG沟道电势影响而增加,使得相同电子注入条件下PPD可存储的电子增多,复位所需电压增大,导致Vpin随着辐射总剂量增加而增大.     

CCD辐射损伤效应及加固技术研究进展

综述了电荷耦合器件(CCD)在空间环境和核辐射领域中的辐射效应研究进展;阐述了不同粒子辐照CCD的损伤效应机理及暗电流、平带电压和电荷转移效率等敏感参数的退化机制;从制造工艺、器件结构、工作模式等方面介绍了CCD抗辐射加固技术;分析了CCD辐射效应研究的发展趋势。     

抗辐射0.18μm NMOS器件热载流子效应研究

基于0.18μm CMOS工艺开发了抗总剂量辐射加固技术,制备的1.8 V NMOS器件常态性能良好,器件在500 krad(Si)剂量点时,阈值电压与关态漏电流无明显变化。研究器件的热载流子效应,采用体电流Isub/漏电流Id模型评估器件的HCI寿命,寿命达到5.75年,满足在1.1 Vdd电压下工作寿命大于0.2年的规范要求。探索总剂量辐射效应与热载流子效应的耦合作用,对比辐照与非辐照器件的热载流子损伤,器件经辐照并退火后,受到的热载流子影响变弱。评估加固工艺对器件HCI可靠性的影响,结果表明场区总剂量加固工艺并不会造成热载流子损伤加剧的问题。     

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.     

功率VDMOS器件低剂量率辐射损伤效应研究

研究了抗辐射加固功率VDMOS器件在不同偏置条件下的高/低剂量率辐射损伤效应,探讨了阈值电压、击穿电压、导通电阻等电参数在不同剂量率辐照时随累积剂量的变化关系.实验结果表明,此型号抗辐射加固功率VDMOS器件在高/低剂量率辐照后参数的漂移量相差不大,不具有低剂量率辐射损伤增强效应.认为可以用高剂量率辐照后高温退火的方法评估器件的总剂量辐射损伤.实验结果为该型号抗辐射加固功率VDMOS器件在航空、航天等特殊领域的应用提供了技术支持.     

总剂量辐照效应模型在TDI-CCD器件中的应用

介绍了抗辐射加固设计使用的总剂量辐照效应模型,研究了它在时间延迟积分电荷耦合器件(TDI-CCD)电荷转移效率参数衰减中的应用,并通过不同剂量60Coγ辐照试验,验证了该模型在TDI-CCD器件抗辐射加固设计中的应用价值。     

集成电路总剂量加固技术的研究进展

对集成电路总剂量加固技术的研究进展进行了分析。集成电路技术在材料、器件结构、版图设计及系统结构方面的革新,促进了总剂量加固技术的发展。新的总剂量加固技术提高了集成电路的抗总剂量能力,延长了电子系统在辐射环境下的使用寿命。文中总结了近年来提出的新型的总剂量抗辐射加固技术,如采用Ag-Ge-S、单壁碳纳米管材料(SWCNT)、绝缘体上漏/源(DSOI)器件结构、八边形的门(OCTO)版图、备用偏置三模块冗余(ABTMR)系统等加固方法,显著提高了器件或电子系统的总剂量抗辐射能力。研究结果有助于建立完整的总剂量加固体系,提升抗辐射指标,对促进总剂量加固技术的快速发展具有一定的参考价值。     

半导体激光器辐照损伤效应实验研究进展

半导体激光器(LD)工作在空间辐射或核辐射环境中时,会受到辐照损伤的影响而导致器件性能退化。文章回顾了不同时期研制的LD(从早期的GaAs LD到量子阱LD和量子点LD)在辐照效应实验方面的研究进展,梳理了国际上开展不同辐射粒子或射线(质子、中子、电子、伽马射线)诱发LD辐射敏感参数退化的实验规律,分析总结了当前LD辐照效应实验方法研究中亟待解决的关键技术问题,为今后深入开展LD的辐照效应实验方法、退化规律、损伤机理及抗辐射加固技术研究提供理论指导和实验技术支持。     

源区浅结SOI MOSFET的辐照效应模拟

研究了源区浅结的不对称SOI MOSFET对浮体效应的改善,模拟了总剂量、抗单粒子事件(SEU)、瞬时辐照效应以及源区深度对抗辐照性能的影响.这种结构器件的背沟道抗总剂量能力比传统器件有显著提高,并且随着源区深度的减小,抗总剂量辐照的能力不断加强.体接触不对称结构的抗SEU和瞬时辐照能力优于无体接触结构和传统结构器件,这与体接触对浮体效应的抑制和寄生npn双极晶体管电流增益的下降有关.     

光纤陀螺光学器件的空间辐射效应及防护技术

针对光纤陀螺用光学器件在空间辐射环境下受电离损伤和位移损伤影响性能下降的问题,分别分析了光纤、SLD光源、PIN-FET探测器的空间辐射效应。为保证光纤陀螺在空间的工作性能,从被动屏蔽和主动加固两方面讨论了光学器件的辐射防护技术。考虑到不同光学器件对不同类型辐射损伤的敏感性以及航天器载荷对重量的严格要求,从电离损伤屏蔽和位移损伤屏蔽两方面对屏蔽厚度进行了优化设计。通过对各光学器件辐射效应机理的分析,讨论了提高光学器件本身抗辐射能力的主动加固技术。     

Effect of Total Ionizing Dose Damage on 8-Transistor CMOS Star Sensor Performance

Semiconductors - The effects of total ionizing dose (TID) radiation from 60Co gamma-rays on an 8-transistor global shutter exposure complementary metal-oxide semiconductor image sensor (CIS) within...     

版图结构对MOS器件总剂量辐照特性的影响

在商用标准0.6μm体硅CMOS工艺下,设计了采用普通单栅及多栅版图结构的nMOS和pMOS晶体管作为测试样品,讨论其经过γ射线照射后的总剂量辐照特性.辐照中器件采用不同电压偏置,并在辐照前后对器件的源漏极间泄漏电流、阈值电压漂移及跨导特性进行测量.研究表明nMOS总剂量效应对器件的版图结构非常敏感,而pMOS的总剂量效应几乎不受版图结构的影响.     

纳米级CMOS集成电路的单粒子效应及其加固技术

空间应用的集成电路受到辐射效应的影响,会出现瞬态干扰、数据翻转、性能退化、功能失效甚至彻底毁坏等问题.随着器件特征尺寸进入到100nm以下（以下简称纳米级）,这些问题的多样性和复杂性进一步增加,单粒子效应成为集成电路在空间可靠性应用的主要问题,给集成电路的辐射效应评估和抗辐射加固带来了诸多挑战.本文以纳米级CMOS集成电路为研究对象,结合近年来国内外的主要技术进展,介绍研究团队在65nm集成电路单粒子效应和加固技术方面的研究成果,包括首次提出的单粒子时域测试和分析方法、单粒子多节点翻转加固方法和单粒子瞬态加固方法等.     

Design of high performance and radiation hardened SPARC-V8 processor

Design of a highly reliable SPARC-V8 processor for space applications requires consideration single-event effects including single event upsets, single event transients, single event latch-up, as well as cumulative effects such as the total ionizing dose (TID). In this paper, the fault tolerance of the SPARC-V8 processor to radiation effects is discussed in detail. The SPARC-V8 processor, fabricated in the 65 nm CMOS process, achieves a frequency of 300 MHz with a core area of 9.78×9.78 mm², and it is demonstrated that its radiation hardened performance is suitable for operating in a space environment through the key elements' experiments, which show TID resistance to 300 krad(Si), SEL immunity to greater than 92.5 MeV·cm²/mg, and an SEU error rate of 2.51×10^-4 per day.     

Total ionizing dose radiation effects on NMOS parasitic transistors in advanced bulk CMOS technology devices

In this paper, total ionizing dose effect of NMOS transistors in advanced CMOS technology are examined. The radiation tests are performed at ⁶⁰Co sources at the dose rate of 50 rad (Si)/s. The investigation''s results show that the radiation-induced charge buildup in the gate oxide can be ignored, and the field oxide isolation structure is the main total dose problem. The total ionizing dose (TID) radiation effects of field oxide parasitic transistors are studied in detail. An analytical model of radiation defect charge induced by TID damage in field oxide is established. The I-V characteristics of the NMOS parasitic transistors at different doses are modeled by using a surface potential method. The modeling method is verified by the experimental I-V characteristics of 180 nm commercial NMOS device induced by TID radiation at different doses. The model results are in good agreement with the radiation experimental results, which shows the analytical model can accurately predict the radiation response characteristics of advanced bulk CMOS technology device.     

Influences of silicon-rich shallow trench isolation on total ionizing dose hardening and gate oxide integrity in a 130 nm partially depleted SOI CMOS technology

The influences of silicon-rich shallow trench isolation (STI) on total ionizing dose (TID) hardening and gate oxide integrity (GOI) in a 130 nm partially depleted silicon-on-insulator (SOI) complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) technology are investigated. Radiation-induced charges buildup in STI oxide can invert the parasitic sidewall channel of the n-channel transistor, which will increase the off-state leakage current and decrease the threshold voltage for the main transistor. Compared with the general STI process, the silicon-rich STI process can significantly suppress the increase in leakage current and negative shifts in subthreshold region induced by the total dose radiation, implying TID hardening for STI trench oxide. However, the silicon-rich STI process has a deleterious impact on GOI. It leads to the thin gate oxide thickness at trench corner and lowers the gate oxide breakdown voltage. Issues of gate oxide integrity induced by silicon-rich STI are investigated in this paper, and an optimized process to solve this problem is proposed and examined. Finally, the TID response of the optimized silicon-rich STI process is presented in comparison to the general and silicon-rich STI processes.     

部分耗尽SOI工艺器件辐射效应的研究

对0.13μm部分耗尽SOI工艺的抗辐射特性进行了研究.首先通过三维仿真研究了单粒子事件中的器件敏感区域,随后通过实验分析了器件的总剂量效应.三维仿真研究了离子入射位置不同时SOI NMOS器件的寄生双极效应和电荷收集现象,结果表明,离子入射在晶体管的体区和漏区时,均可以引起较大水平的电荷收集.对SRAM单元的单粒子翻转效应(SEU)进行了仿真,结果表明,体区和反偏的漏区都是翻转的敏感区域.通过辐照实验分析了器件的总剂量效应,在该工艺下对于隐埋氧化层,关断状态是比传输门状态更劣的辐射偏置条件.     

抗辐射电子学研究综述

抗辐射电子学是一门交叉性、综合性的学科,其研究的辐射效应规律、损伤作用机制、加固设计方法、试验测试方法、建模仿真方法等对极端恶劣环境中的电子系统的可靠工作至关重要。对核爆炸中子、γ和X射线,空间和大气高能粒子产生的各种损伤效应(如瞬时剂量率效应、总剂量效应、单粒子效应、位移效应等)的研究现状进行了系统梳理。对辐射之间、辐射和环境应力之间的协同损伤效应(如长期原子迁移对瞬时剂量率感生光电流的影响,中子和γ射线同时辐照与序贯辐照、单因素辐照的损伤差异,质子和X射线、中子辐照的损伤差异,γ射线辐照与环境氢气的协同损伤效应等)的研究进展进行了详细介绍。阐述了国内外在核爆、空间和大气辐射加固研究方面的最新技术进展。总结了国内外在地面实验室对空间、大气或核爆辐射各种效应进行试验模拟和建模仿真的相关能力。最后对21世纪20年代以后抗辐射电子学研究领域潜在的挑战和关键技术进行了展望。