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）。     

超高总剂量辐射下SOI MOS器件特性研究

在超高总剂量辐射下,界面电荷的改变对MOS器件的阈值电压影响将越来越显著,甚至会引起NMOS的阈值电压增加,即所谓的“反弹”现象。文章研究的SOI NMOS的阈值电压并没有出现文献中所述的“反弹”,原因可能和具体的工艺有关。另外,通过工艺器件仿真和辐射试验验证,SOI器件在超高总剂量辐射后的漏电不仅仅来自于闽值电压漂移所导致的背栅甚至前栅的漏电流,而是主要来自于前栅的界面态的影响。这样,单纯的对埋层SiO2进行加固来减少总剂量辐射后埋层SiO2中的陷阱正电荷,并不能有效提高SOI MOS器件的抗超高总剂量辐射性能。     

0.8μm SOI CMOS抗辐射加固工艺辐射效应研究

采用抗辐射0.8μm SOI CMOS加固技术,研制了抗辐射SOI CMOS器件和电路。利用Co60γ射线源对器件和电路的总剂量辐射效应进行了研究。对比抗辐射加固工艺前后器件的Id-Vg曲线以及前栅、背栅阈值随辐射总剂量的变化关系,得到1 Mrad(Si)总剂量辐射下器件前栅阈值电压漂移小于0.15 V。最后对加固和非加固的电路静态电流、动态电流、功能随辐射总剂量的变化情况进行了研究,结果表明抗辐射加固工艺制造的电路抗总剂量辐射性能达到500 krad(Si)。     

抗辐射高压SOI NMOS器件的背栅效应研究

通过对高压SOI NMOS器件进行总剂量辐照试验发现,辐照后器件埋氧化层中引入了大量的氧化层陷阱电荷,使得器件背栅发生反型,在较高漏极工作电压下,漏极耗尽区与反型界面相连,使得源漏发生穿通,导致器件漏电。通过原理分析提出了增加顶层硅膜厚度的优化措施,证明在顶层硅膜较薄的情况下,SOI NMOS器件容易发生总剂量辐照后背栅漏电,厚顶层硅器件特性受背栅辐照效应的影响则显著降低直至消失。     

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。     

SOI器件X射线与60Co γ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.     

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。     

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。     

DSOI总剂量效应模型及背偏调控模型

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(DSOI MOSFET)器件的阈值电压漂移、泄漏电流增大等退化特性。由于背栅端口的存在,SOI器件存在新的总剂量效应加固途径,对于全耗尽SOI器件,利用正背栅耦合效应,可通过施加背栅偏置电压补偿辐照导致的器件参数退化。本文研究了总剂量辐照对双埋氧层绝缘体上硅金属氧化物半导体场效应晶体管(DSOI MOSFET)总剂量损伤规律及背栅偏置调控规律,分析了辐射导致晶体管电参数退化机理,建立了DSOI晶体管总剂量效应模拟电路仿真器(SPICE)模型。模型仿真晶体管阈值电压与实测结果≤6 mV,同时根据总剂量效应模型给出了相应的背栅偏置补偿模型,通过晶体管背偏调控总剂量效应SPICE模型仿真输出的补偿电压与试验测试结果对比,N型金属氧化物半导体场效应晶体管(NMOSFET)的背偏调控模型误差为9.65%,P型金属氧化物半导体场效应晶体管(PMOSFET)为5.24%,该模型可以准确反映DSOI器件辐照前后阈值特性变化,为器件的背栅加固提供参考依据。     

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。     

CMOS／SIMOX和CMOS／BESOI的γ射线辐照特性比较

用薄膜ＳＩＭＯＸ（ＳｅｐａｒａｔｉｏｎｂｙＩＭｐｌａｎｔａｔｉｏｎｏｆＯＸｙｇｅｎ）、厚膜ＢＥＳＯＩ（ｆｆｅｎｄｉｎｇａｎｄＥｔｃｈ－ｂａｃｋＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）和体硅材料制备了ＣＭＯＳ倒相器电路，并用６０Ｃｏγ射线进行了总剂量辐照试验。在不同偏置条件下，经不同剂量辐照后，分别测量了ＰＭＯＳ、ＮＭＯＳ的亚阈特性曲线，分析了引起ＭＯＳＦＥＴ阈值电压漂移的两种因素（辐照诱生氧化层电荷和新生界面态电荷）。对ＮＭＯＳ／ＳＩＭＯＸ，由于寄生背沟ＭＯＳ结构的影响，经辐照后背沟漏电很快增大，经３００Ｇｙ（Ｓｉ）辐照后器件已失效。而厚膜ＢＥＳＯＩ器件由于顶层硅膜较厚，基本上没有背沟效应，其辐照特性优于体硅器件。最后讨论了提高薄膜ＳＩＭＯＸ器件抗辐照性能的几种措施。     

Damage to insulated gate FETs by electron beam metrology and X-ray exposure

A comparison of the damage induced by X-rays and electron-beam radiation on IGFETs has been made. It is observed that the ratio of the threshold voltage shift due to fixed positive charge (ΔV _FPC) to the total threshold voltage shift (due to both fixed positive charge and neutral electron traps) does not show any dependence on the radiation dose in the case of an E-beam irradiation, and shows a negative slope for X-ray irradiated samples. This suggests that the amount of neutral electron traps (NETs) and fixed negative charge (FNC) produced by the ionizing radiation is higher in the case of X-ray irradiation and saturates at much higher doses compared to E-beam irradiation. A study of electron beam damage at various energies shows that E-beam energy of 7 keV does not damage the oxides at all whereas at lOkeV maximum damage is observed. For devices exposed to X-rays, the threshold voltage shift ratios due to the fixed positive charge for different gate oxide thicknesses (12·6nm-50·0nm) indicate a shift of the effective charge centre-id which also depends on the filling of neutral electron traps to form fixed negative charges that partially compensate the fixed positive charges. The threshold voltage shift ratios also indicate a shift in the charge centroid which is pronounced in the thinner oxides. A model for the change in effective centroid of charge and also its dose dependence for different oxide thicknesses has been suggested.     

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。     

高压换流器辐射效应在线测试系统设计及应用

针对高压换流器类器件的电特性参数,设计了一种适合辐射效应在线测试的自动测试系统,适用于剂量率、总剂量与中子注量辐照试验中的参数测试。本文简述了系统测试功能和软硬件组成,并利用高压换流器SWM012RH完成了辐照试验测试验证。测试结果表明,检测系统能够完成主要参数的测试,高压测试精确度满足1%的要求,为开展高压换流器相关类型器件的辐照试验验证和抗辐射性能评估能力奠定了基础。     

平衡材料对双极器件电离总剂量效应的影响

本文选择贴片式NPN双极器件作为研究对象,采用在器件辐照试验时设置平衡材料的方法,通过对器件辐照敏感电参数的测量,研究平衡材料对双极器件电离总剂量效应的影响程度.结果表明：在器件辐照试验时设置平衡材料,器件的敏感电参数电流增益较未设置平衡材料退化更明显,仅设置前平衡材料比仅设置后平衡材料影响更大.在器件前后均设置平衡材料、仅设置前平衡材料和仅设置后平衡材料三种不同条件下,器件电流增益退化差异在50krad（Si）剂量点时分别为22.55%、13.38%和12.58,当辐照总剂量达到300krad（Si）时降低至11.65%、7.31%和4.14%.因此在评估器件的抗辐照性能过程中,很有必要在器件进行辐照试验时根据器件的结构尺寸,设置一定厚度的平衡材料,使器件敏感区满足次级电子平衡条件,从而保证器件敏感区实际吸收剂量达到标称辐照剂量.     

Effect of hydrogen annealing on hot-carrier instability of X-Ray irradiated CMOS devices

In the very large scale integration (VLSI) technology, the need for high density and high performance integrated circuit (IC) chip demands advanced processing techniques that often result in the generation of high energy particles and photons. Frequently, the radiation damage are introduced by these energetic particles and photons during device processing. The radiation damage created by x-ray irradiation, which can often occur during metal sputtering process, has been shown to potentially enhance hot-carrier instability if the neutral traps which act as electron or hole traps in the silicon dioxide is not annealed out. In this paper, we investigate the effects of annealing using different hydrogen contents and temperatures on the device characteristics and hot carrier instability of 0.5 μm CMOS devices after 1500 mJ/cm² synchrotron x-ray irradiation. Three different annealing conditions were employed; 400° C H₂, 450° C H₂, and 400° C H₂ + N₂. It is found that for all three different hydrogen anneals the normal characteristics of irradiated CMOS devices can be effectively recovered. The hot-carrier instability of bothp- andn-channel MOSFETs are significantly enhanced after x-ray irradiation due to the creation of neutral traps and positively charged oxide traps. After high H₂ (100%) concentration anneals at 450° C, the hot-carrier instability in irradiatedn-channel devices is greatly reduced and comparable to the non-irradiated devices. Although the hot-carrier instability inp-channel devices is also significantly reduced after annealing, the threshold voltage shifts are still enhanced as compared to the devices without exposure to x-ray irradiation during maximum gate current stress. For those non-irradiated, but hydrogen-annealedp-channel devices, the hot-carrier instability was observed to be worse than the non-irradiated device without hydrogen annealing.     

Degradation of electron irradiated MOS capacitors

We have investigated the degradation of MOS structure due to high energy electron irradiation as a function of radiation dose and gate bias applied during the irradiation. Devices have been characterized by current–voltage measurements, in order to study charge accumulation also at the gate interface. Three types of oxide charge have been observed: the unstable positive charge, due to trapped holes induced by the electron irradiation; the negative charge in the oxide bulk, deriving from capture of electrons injected during electrical measurements in radiation generated traps; and border traps, at both oxide interfaces.     

MOS器件辐照引入的界面态陷阱性质

通过分析总剂量辐照产生的界面陷阱的施主和受主性质 ,用半导体器件模拟软件 Medici模拟了NMOS、PMOS器件加电下辐照后的特性。结果表明 ,对于 NMOSFET,费米能级临近导带 (N沟晶体管反型 )时 ,受主型界面态为负电荷 ,施主型界面态陷阱为中性 ,使界面态陷阱将引起的阈值电压漂移 ;而对 PMOSFET,当费米能级临近价带 (P沟晶体管反型 )时 ,施主型界面态陷阱带正电荷 ,受主型界面态陷阱为中性 ,界面态陷阱将引起负的阈值电压漂移。理论模拟的转移特性与测试结果吻合。文中从器件工艺参数出发 ,初步建立了总剂量电离辐照模型 ,该模型对于评估器件总剂量加固水平提供了一种理论方法     

高剂量辐照条件下的MOSFET总剂量辐照效应模型

报道了一种用于在高剂量辐照条件下 MOS器件抗辐照电路模拟的半经验模型 .利用该模型对 MOS器件实验结果进行了模拟 ,模型计算结果与实验吻合较好 .初步分析了高剂量条件下不同散射机制对模拟结果的影响 ,结果表明界面电荷的库仑散射是引起电子迁移率退化的主要机制     

Influence of temperature and dose rate on the degradation of BiCMOS operational amplifiers during total ionizing dose testing

The degradation of BiCMOS operational amplifiers TLV2451CP under the gamma-irradiation is studied for different dose rates and temperatures during irradiation. It is shown that studied devices are sensitive to both enhanced low dose rate sensitivity and time-dependent effects. Evidently the main reason for degradation of studied devices is build-up of the interface traps. Obtained results show possibility to develop an approach for total ionizing dose testing of BiCMOS devices considering low dose rate effects.