NMOS晶体管电离辐照总剂量效应研究

摘要

随着航天工业与核工业的发展,各种电子设备在运行过程中受到的辐照影响也越来越大,其核心部分集成电路芯片首当其冲。为了保证芯片的性能与可靠性,抗辐照研究变得日益重要。
　　本文以N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管(NMOS)电离辐照总剂量效应为研究课题,主要就零偏压下NMOS总剂量辐照原理和总剂量辐照电荷建模等问题进行了讨论。
　　文章基于总剂量辐照的基本物理过程,分析了不同偏压对辐照过程的影响。研究发现零偏压下产生的氧化层固定电荷与界面陷阱电荷浓度比正负偏压情况低,而且两种电荷比例也不同。原因是零偏压下载流子的初始复合率高,而且由于电场较低,载流子在被俘获和退火过程中的复合率也较高。
　　接着本文利用Sentaurus TCAD进行仿真,对改进栅极结构与材料的抗辐照措施进行了分析,从中提出了零偏压下的抗总剂量辐照实验设计。结合仿真结果与实际工艺限制,本文采取环栅结构与普通栅结构作对比,研究零偏压下不同宽长比的NMOS晶体管在不同总剂量辐照下的情况。
　　接着按照实验方案,流片制备器件,完成辐照实验。辐照后,测试了辐照前后各个晶体管的电学特性曲线。对测试数据进行分析,得出偏压、总剂量、宽长比对各管参数退化的影响。
　　从测试数据中,计算得出了辐照诱生氧化层固定电荷与界面陷阱电荷。最后对氧化层固定电荷建模,考虑了零偏压条件对总剂量辐照过程的影响,提出了一维连续性方程组来描述在固定厚度的氧化层中空穴的产生、初始复合、输运、被俘获与退火的过程。提出了等效电荷模型,解决了厚度不均匀的氧化物中固定电荷的计算方法。模型在MATLAB中仿真求解,环栅NMOS和普通NMOS的仿真结果与测试数据相吻合。
　　本文就零偏压下NMOS抗总剂量辐照研究取得了一定的成果,提出了氧化层固定电荷模型,为亚阈区电流等低电场下的总剂量辐照建模提供了数据和模型基础。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪 论

1.1 研究工作的背景与意义

1.2 总剂量效应的国内外研究历史与现状

1.3 本文的主要贡献与创新

1.4 本论文的结构安排

第二章 总剂量效应辐照原理

2.1 总剂量辐照电离过程概述

2.2 总剂量效应对NMOS器件的影响

2.3 不同偏压对辐照过程的影响

2.4 本章小结

第三章 NMOS抗总剂量辐照设计

3.1各抗辐照加固措施仿真

3.2辐照实验方案

3.3 本章小结

第四章 辐照实验与测试

4.1 NMOS管流片制备

4.2 辐照实验与测试过程

4.3 NMOS管辐照测试结果分析

4.4 本章小结

第五章 辐照诱生氧化层固定电荷建模

5.1 辐照诱生电荷的提取

5.2 氧化层固定电荷建模

5.3 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果