抗总剂量效应的NMOS器件设计及仿真研究

摘要

当宇宙中的高能量的X射线和γ射线等，长时间照射在电子设备中，会产生一种与时间相关的辐射积累效应，称为总剂量效应(total ionizingdose effect，TID effect)。通常来说，太空中的电子设备不易经常更换，当受到TID效应的影响会造成器件电学特性退化，甚至导致器件失效。因而开发新型抗辐射器件势在必行。由于目前应用最广泛的还是基于体硅的MOSFET，因而本文主要基于体硅NMOSFET，设计了新型抗TID效应加固的新型器件结构。在TID效应原理的介绍中，分析说明了总剂量效应在MOS器件中产生辐射感生电荷的机制，并介绍了总剂量效应引起的两种主要的辐射感生电荷，即氧化物陷阱电荷和界面态的影响，由于氧化物界面电荷的影响起主导作用，因而在本论文中，忽略界面态对MOS器件的影响。MOS器件中主要是氧化物部分对总剂量效应很敏感，在MOS器件中，氧化物主要有较薄的栅氧和较厚的场氧。栅氧的厚度通常为几纳米到十几纳米，而场氧厚度通常为100纳米到几百纳米。有文献表明，当氧化物厚度小于12纳米，则可看作基本不受总剂量效应的影响。因此在本论文中，主要研究氧化物陷阱电荷在场氧中的作用。
　　在研究了总剂量效应原理，以及现有的抗TID效应的器件加固结构，设计了三种新型抗TID效应的器件结构，并通过半导体器件仿真工具Sentaurus TCAD，验证了三种新型器件结构的抗辐射性能可达到500krad(Si)，满足现有对抗辐射加固器件的加固水平的要求。在第2章中会介绍NMOS器件对于TID效应更加敏感，因而本文的抗辐射加固器件都是基于体硅NMOSFET来设计的。
　　第一种是带有p+保护环的NMOSFET(Semi P+ Guard Ring-NMOSFET, SPGR-NMOSFET)。SPGR-NMOSFET通过额外引入高掺杂p+区，将对TID效应敏感、体积较大的浅沟槽隔离氧化物(STI)与有源区隔离，使得无法形成由于 TID效应引起的寄生沟道，从而消除了TID效应对器件的影响。与现有的加固结构H栅NMOSFET和环栅NMOSFET不同，SPGR-NMOSFET无需额外引入栅区，在实现了抗辐射性能的同时，也不会增大器件的面积。
　　第二种是Z栅NMOSFET。在该结构中，由于栅形状看似为英文字母“Z”，故命名该结构为Z栅NMOSFET。Z栅NMOSFET的加固，是应用了超薄氧化物具有抗TID效应的能力。在第2章中将会介绍，超薄氧化物中由于TID效应引起的辐射感生电荷非常少，甚至可以忽略，因而可以看做是辐射加固的。Z栅NMOSFET在STI与有源区边界的一侧，引入了额外的栅区，将STI与有源区隔离，使得无法形成完整的寄生漏电路径，实现了器件抗辐射的目的。并且弥补了环栅 NMOSFET中存在的诸多不足。例如在 Z栅NMOSFET结构中，沟道宽长比设计不受限，且具有更小器件版图面积，解决了环栅NMOSFET在模拟电路中不能做较小宽长比的晶体管，以及在数字电路中速度受限的问题。
　　第三种是多指Z栅NMOSFET。多指结构可以提高IC设计灵活度，并且具有比长沟道晶体管更小的栅电阻，及栅极寄生效应等优势，实现了器件速度的提升。但是由于多指结构指数增多使得STI与有源区接触的界面增多，使得指数越大的晶体管对TID效应更加敏感，不利于多指结构在辐射环境下的应用。多指Z栅NMOSFET的加固原理与Z栅 NMOSFET相同，在具有抗辐射性能的同时，能够保证多指结构的指数对 Z栅NMOSFET的影响很小。实现了应用于辐射环境中，适用于宽沟道条栅NMOSFET拆分为多指结构的器件设计。
　　本文研究的三种新型抗TID效应的加固结构，在实现了抗辐射性能基础上，还具有更小的器件版图面积，并且器件的宽长比设计不受限制，相较环栅具有更小的栅电容。通过在本论文中的仿真研究，为未来开发在辐射环境工作的抗辐射加固结构提供了一定参考。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究意义及目的

1.2 抗辐射加固发展现状

1.3 本文的主要研究内容

第2章 TID效应原理及其对MOS器件的影响

2.1 TID效应的原理

2.2 TID效应对MOS晶体管不同位置氧化物的影响

2.3 本章小结

第3章 SPGR-NMOSFET的仿真和分析

3.1 SPGR-NMOSFET的仿真设置

3.2 对比结构的仿真和分析

3.3 SPGR-NMOSFET的仿真和分析

3.4 本章小结

第4章 Z栅NMOSFET的仿真和分析

4.1 Z栅NMOSFET的工艺参数和仿真策略

4.2 Z栅NMOSFET抗辐射性能仿真结果和分析

4.3 三种对比结构与两种新型器件的仿真结果对比

4.4 本章小结

第5章 多指Z栅NMOSFET结构的仿真和分析

5.1 多指Z栅NMOSFET的工艺参数和仿真策略

5.2 三指Z栅NMOSFET抗辐射性能仿真结果和分析

5.3 多指结构的指数对器件抗辐射性能的影响

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢