深亚微米nMOSFET器件的总剂量电离辐射效应研究

摘要

随着数字集成电路的广泛应用，金属—氧化物—半导体场效应（MOSFET）器件和MOS集成电路在军事，航天，核技术等特殊环境下的应用越来越多，其可靠性要求也越来越高。而在辐射的环境中，MOS结构器件上所加偏置条件是影响总剂量辐射效应的重要因素。本文围绕MOS器件X射线辐射条件下的可靠性问题，通过ISE仿真和0．25μm标准工艺实验讨论了在不同辐射偏置条件下，深亚微米nMOSFET器件电学参数与辐射总剂量的关系。 首先，本文介绍了辐射在氧化层中产生物理和化学变化的基本机理，分析辐射感生电荷（氧化物陷阱电荷与界面态电荷）的产生和电学性质，提出了中带电压法、电荷泵法、双晶体管法对这两种电荷进行分离的方法。 对深亚微米体硅nMOSFET器件在静态偏置（五种数字IC中常用的偏置条件）方式下进行X射线总剂量辐射ISE TCAD软件仿真，并对结果进行分析，得出了最劣偏置条件为ON偏置（栅压为正电压，其余电极为0电压），最优偏置条件为No Power偏置（所有电极都为0电压）； 最后对0．25μm标准工艺下选取的两组器件进行辐射总剂量效应实验，比对了关态泄漏电流，跨导和栅电流等电特性参数，得出如下结论： 实验和仿真结果表明：对于静态偏置而言，X射线对深亚微米体硅nMOSFET辐射时最劣偏置条件为ON偏置（栅压为正电压，其余电极为0电压），最优偏置条件为No Power偏置（所有电极都为0电压）；其辐射感生关态泄漏电流随着辐射总剂量的增加而增大，在ON偏置条件下，关态泄漏电流迅速增长。到深亚微米阶段，影响器件辐射效应的主要原因场氧化层中陷阱电荷特别是浅能级陷阱电荷Eδ中心成为深亚微米器件辐射效应的主要来源。本文对相关机理进行了分析和仿真验证。

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第一章绪论

1.1辐射环境和辐射效应

1.1.1辐射环境

1.1.2基本电离辐射效应

1.2国内外研究现状

1.3本课题研究意义

第二章总剂量辐射效应的基本理论

2.1辐射粒子与物质的相互作用

2.1.1光子

2.1.2带电粒子

2.1.3中子

2.2 MOS结构的性质

2.3辐射感生电荷的形成与性质

2.3.1氧化物陷阱电荷

2.3.2界面态电荷

2.3.3氧化物陷阱与界面陷阱的相关性

2.4氧化物陷阱电荷与界面态电荷分离方法

2.4.1中带电压法

2.4.2电荷泵法(Charge-Pumping)

2.4.3双晶体管法

2.5本章小结

第三章静态辐射偏置条件对总剂量效应的影响

3.1引言

3.2各种辐射偏置条件

3.3仿真模型及器件结构

3.4仿真结果

3.5本章小结

第四章深亚微米器件的总剂量电离辐射效应研究

4.1引言

4.2样品与实验条件

4.3实验仪器介绍

4.4实验结果及分析

4.5相关机理研究与分析

4.6本章小结

第五章结束语

致谢

参考文献

硕士期间发表的学术论文

硕士期间参加的主要研究工作