SOIMOS器件輻射效應(yīng)的機理與可靠性研究.pdf

1、當(dāng)電子元器件持續(xù)暴露于輻射環(huán)境時，高能粒子會進入電子器件內(nèi)。這些高能粒子將會在組成器件的各種氧化物和絕緣體結(jié)構(gòu)內(nèi)，形成大量陷阱電荷的積累，最終導(dǎo)致器件性能的退化和失效。
　　SOI(絕緣體上硅)結(jié)構(gòu)中，制造的有源器件處于絕緣層之上，實現(xiàn)了集成電路中元器件的介質(zhì)隔離，具有減小的 P-N結(jié)面積和電荷收集體積。因此，SOI技術(shù)具有更好的抗單粒子效應(yīng)和抗瞬時劑量率效應(yīng)的能力，一直以來廣泛應(yīng)用于軍事，空間等領(lǐng)域。另外，基于 SOI技術(shù)的器件

2、和電路與體硅電路相比，具有寄生電容小、集成密度高、速度快、短溝道效應(yīng)小等優(yōu)勢，這些都使其有可能成為未來的半導(dǎo)體主流技術(shù)。但是，電離總劑量輻照環(huán)境導(dǎo)致 SOI結(jié)構(gòu)的場氧化層和埋氧化層中，俘獲了大量的氧化層陷阱電荷，產(chǎn)生了一系列的寄生晶體管結(jié)構(gòu)。因此，這些寄生結(jié)構(gòu)消弱了 SOI技術(shù)相對于體硅晶體管的優(yōu)勢，采取措施降低這些寄生結(jié)構(gòu)的影響是提高 SOI技術(shù)的抗輻照性能的重要研究方向。
　　本論文首先研究了SOI MOS器件總劑量輻射效應(yīng)的

3、機理，在此基礎(chǔ)上對項目提供的非加固SOI MOS器件在總劑量輻照實驗中的偏置、襯底電流和Kink效應(yīng)進行了分析；提出了傳輸態(tài)偏置條件下，SOI NMOS器件的背柵閾值電壓模型；最后，探索了總劑量和熱載流子耦合應(yīng)力條件下，器件跨導(dǎo)和閾值電壓的變化，為進一步研究 SOI器件的可靠性以及多種應(yīng)力條件下的損傷機理提供了參考。其次，對MOS體硅和SOI器件的單粒子效應(yīng)進行了計算機仿真模擬，結(jié)構(gòu)表面三維單粒子仿真模擬更符合和接近實際情況，最后探索了

4、在總劑量條件下，SOI器件單粒子效應(yīng)的新趨勢。
　　全文研究可以概括為以下四個部分：
　　1.研究了在不同輻照偏置和測量偏置下，未經(jīng)過抗輻照加固的0.8?m SOI NMOS的總劑量輻射效應(yīng)，討論了其輻照響應(yīng)機制。揭露了在總劑量輻照條件下，SOI NMOS器件三種不同的kink效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)傳輸態(tài)偏置是SOI器件的背柵最劣輻照偏置條件。最后，對SOI器件進行了熱載流子應(yīng)力之后的總劑量輻射效應(yīng)的研究，建立了一種定性描述MOS器件熱

5、載流子和輻射耦合效應(yīng)的跨導(dǎo)模型。
　　2.探討了通過離子注入技術(shù)在埋氧層中注入 Si+，以引入電子陷阱來補償總劑量效應(yīng)在埋氧層中空穴陷阱俘獲的空穴電荷；通過硅島隔離與LOCOS隔離技術(shù)相結(jié)合的氧化臺面隔離技術(shù)，從而實現(xiàn)SOI器件的電隔離；采用H柵體接觸結(jié)構(gòu)，消除了晶體管的邊緣寄生效應(yīng)。通過對材料和工藝加固的PD SOI器件的地面總劑量實驗，驗證了以上的加固措施對器件進行加固的有效性和合理性。
　　3.采用計算機仿真和數(shù)值模擬

6、的方法，研究了NMOS器件的單粒子效應(yīng)。主要包括不同漏極偏置，不同柵長度和不同注入位置下，NMOS器件漏極單粒子瞬態(tài)脈沖電流的變化趨勢。最后，對單粒子效應(yīng)電荷收集方式在器件中的產(chǎn)生和消失的物理過程進行了詳細的分析。
　　4.研究了SOI MOS器件的寄生雙極放大效應(yīng)，研究了線性傳輸能量值(LET)和單粒子注入位置等關(guān)鍵重離子參數(shù)，對PD SOI器件和FD SOI器件的寄生雙極放大效應(yīng)的影響，并對兩種SOI結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果進行了比較。