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.     

Total Dose Radiation-Hard 0.8μm SOI CMOS Transistors and ASIC

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5pA．     

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。     

总剂量辐照加固的PDSOI CMOS 3线-8线译码器

报道了一种制作在SIMOX晶圆之上的总计量加固的2μm部分耗尽SOI CMOS 3线-8线译码器电路,其辐照特性由晶体管的阚值电压、电路的静态泄漏电流以及电流电压特性曲线表征.实验表明,该译码器的抗总剂量能力达3×105rad(Si),nMOS管和pMOS管在最坏情况下前栅沟道阈值漂移分别小于20和70mV,并且在辐照、退火以及后续追加辐照过程中无明显的泄漏电流增加,电路的功能并未退化.     

总剂量辐照加固的PDSOI CMOS 3线-8线译码器

报道了一种制作在SIMOX晶圆之上的总计量加固的2μm部分耗尽SOI CMOS 3线-8线译码器电路,其辐照特性由晶体管的阚值电压、电路的静态泄漏电流以及电流电压特性曲线表征.实验表明,该译码器的抗总剂量能力达3×105rad(Si),nMOS管和pMOS管在最坏情况下前栅沟道阈值漂移分别小于20和70mV,并且在辐照、退火以及后续追加辐照过程中无明显的泄漏电流增加,电路的功能并未退化.     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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.     

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。     

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。     

总剂量效应对CMOS读出电路影响及设计加固方法研究

总剂量效应会对CMOS读出电路的性能产生明显的影响,甚至使CMOS读出电路功能完全失效。本文主要分析了总剂量效应对NMOS器件阈值、漏电流和器件间漏电流的影响机理。随后,针对640×512 CMOS读出电路提出了可行的抗辐照版图设计方法。总剂量试验表明,采用环栅结构、环源结构的640×512读出电路芯片抗总剂量能力可以达到100 krad(Si)以上。     

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。     

全耗尽SOIMOSFET辐照导致的阈值电压漂移模型

报道了全耗尽SOI MOSFET器件阈值电压漂移与辐照剂量和辐照剂量率之间的解析关系.模型计算结果与实验吻合较好.该模型物理意义明确,参数提取方便,适合于低辐照总剂量条件下的加固SOI器件与电路的模拟.讨论了抑制阈值电压漂移的方法.结果表明,对于全耗尽SOI加固工艺,辐照导致的埋氧层(BOX)氧化物电荷对前栅的耦合是影响前栅阈值电压漂移的主要因素,但减薄埋氧层厚度并不能明显提高SOI MOSFET的抗辐照性能.     

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。     

用于辐照加固器件的ELO SOI技术

本文讨论了制作绝缘体上硅(SOI)结构的外延横向过生长技术(ELO),并通过在SOI结构上制作的nMOS晶体管验证ELO SOI材料质量和器件总剂量加固性能。在SOI结构上制作的nMOS晶体管显示出了好的辐射特性,例如,发现剂量为10~5戈瑞(硅)的辐射诱发变化为,阈值电压漂移=-0.25V,跨导衰减=18％。