65nm工艺下MOSFET的总剂量辐照效应及加固研究

摘要

随着集成电路在航空航天的应用，半导体器件和电路的总剂量辐照效应越来越受到关注。器件尺寸进入到纳米级后，器件的总剂量辐照效应表现出一些新的特性。本文主要针对65nm工艺下MOSFET的总剂量辐照效应进行研究，首先通过实验研究证实了65nm工艺下的高κ栅氧化层具有很好的抗辐照性能，接着基于ISE软件针对STI区俘获的陷阱电荷对MOSFET特性的影响及MOSFET的辐照加固进行仿真研究。
　　仿真得到了不同辐照剂量下的nMOSFET的转移特性曲线，发现随着辐照剂量的增加器件的关态漏电流增大和亚阈特性变差。STI侧墙的辐照致陷阱电荷增加了附近衬底的电势，使得导带和价带向下弯曲。在低的辐照剂量下STI侧墙附近的衬底表面处于类似弱反型状态，高的辐照剂量下附近的衬底深处可以反型。总结了晶体管特性参数阈值电压、迁移率、跨导随辐照剂量的变化，根据阈值电压随辐照剂量的变化关系针对辐照剂量对器件阈值电压的影响建模，并提出了一种估算载流子迁移率随辐照剂量变化的方法，观察到了辐照增强的DIBL效应、沟道长度调制效应和窄沟效应，分析得出了三者增强的原因。DIBL和沟道长度调制效应的增强是由于STI侧墙的辐照致陷阱电荷增加了附近的电场和衬底的电势，窄沟效应增强是由于两个STI侧墙的辐照陷阱正电荷在晶体管宽度较小时会产生的电场。
　　本文对pMOSFET总剂量辐照效应进行仿真，从pMOSFET和nMOSFET总剂量辐照效应差异和静态功耗两方面得出了对nMOSFET辐照加固的必要性。为了对nMOSFET进行辐照加固，提出了一种根据半导体表面费米能级与本征费米能级重合时的空间电荷区位置以及源漏区的最大深度确定超陡倒掺杂位置的方法，证实了这种掺杂的晶体管具有很好的抗辐照特性。对上述的超陡倒掺杂再加上阈值调整注入掺杂的nMOSFET的辐照特性进行了研究，结果显示抗辐照特性更佳。研究了采用H型栅和环形栅进行辐照加固的晶体管的总剂量辐照特性，分析了H型栅和环形栅能进行辐照加固的原因和其加固的性能，H型栅的辐照加固是基于其对称部分将主沟道区和STI侧墙分开，环形栅不仅将沟道区和STI区分开，而且使得STI区上没有加电的栅电极通过，得出了环形栅器件的抗辐照特性更好些。

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第一章 绪论

1.1 纳米MOSFET的总剂量辐照效应的研究意义

1.2 MOSFET总剂量辐照效应的研究进展

1.3 本文的研究工作和论文安排

第二章 MOSFET的总剂量辐照效应综述

2.1 总剂量辐照效应

2.2 MOSFET的总剂量辐照效应

2.3 纳米尺寸器件的总剂量辐照效应

2.4 总剂量辐照效应的加固技术

2.5 65nm工艺下高κ栅氧化层的辐照特性

2.6 本章小结

第三章 65nm nMOSFET总剂量辐照效应的仿真研究

3.1 仿真工具的介绍

3.2 65nm nMOSFET器件结构的建立

3.3 65nm nMOSFET总剂量辐照效应研究

3.4 总剂量辐照效应对晶体管参数的影响

3.5 总剂量辐照下的增强效应

3.6 本章小结

第四章 总剂量辐照效应的加固研究

4.1 nMOSFET总剂量辐照加固的必要性

4.2 衬底掺杂的抗辐照优化设计

4.3 抗辐照器件栅结构的优化设计

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 研究内容总结

5.2 展望

参考文献

致谢

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