Spice兼容的MOSFET电离辐照模型研究

摘要

半导体拥有其他材料无法替代的优越性，但是能对其性能产生影响的因素也不同于影响其它材料的普通因素，例如空间环境中的各种射线（x射线、γ射线等）。辐照会在半导体材料中引入额外电荷，这些额外电荷会对半导体材料器件的性能产生不可逆转影响，因此对器件辐照性能的研究就变得势在必行。
　　本文主要研究对象是NMOS晶体管的总剂量辐照效应，对NMOS隔离场氧化层中引入的额外电荷和由此造成的泄漏电流进行了准确建模。并且实现了与现有电路仿真工艺相兼容，能够在电路仿真环境下引入NMOS的辐照效应。首先，对氧化层中电子空穴对产生及输运的理论过程进行了深入分析，并研究了辐照环境下器件的性能退化例如阈值电压、输出电流、跨导等，在此基础上提出辐照在氧化层中引入额外电荷的具体计算公式，以此作为对辐照损伤效应建模的基础。辐照对器件性能的影响主要是由于在氧化层中引入了额外电荷，一个单独的MOS器件中存在栅氧化层和隔离场氧化层。随着制造工艺的发展器件尺寸越来越小，栅极氧化层越来越薄，而隔离场氧化层厚度由于各方面原因却不能相应的减小，因此辐照损伤效应主要集中在隔离场氧化层中，隔离场氧化层可以被看作寄生的MIS晶体管。结合前辈对辐照建模效应的研究，我们总结并提出关于氧化层陷阱电荷以及界面陷阱电荷的新的简单计算公式，将晶体管栅极电压看作寄生晶体管的栅极电压。分析隔离区氧化层厚度的变化特点得到,不同地点寄生晶体管中积累的额外电荷不同造成阈值电压的漂移也不相同，利用辐照之后寄生晶体管阈值电压与栅极电压之间的关系对隔离场氧化层进行区间划分。各个区间只存在一种漏电流（亚阈区电流/线性区电流/饱和区电流），对各个区间电流进行积分计算得到场区泄漏电流。新建模型能够更简单和准确的地对器件在辐照环境下产生的漏电流进行计算，对此我们进行了实验数据验证以及第三方数据的提取验证。使用Cadence电路仿真软件对新模型进行编程，实现电路基础上NMOS器件寄生区漏电流的仿真计算。最后我们搭建基于NMOS的SDRAM存储器，对比辐照前后的电压波形图，可以发现辐照之后的器件由于其存储电荷的提前泄放，不能完成对存储电荷的读出以及刷新。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究工作的背景与意义

1.2 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 辐照损伤理论基础

2.1 辐照源分类解析

2.2 MOS晶体管氧化层中的带电粒子和陷阱形成

2.3 辐照损伤理论概述

2.4 辐照环境下MOS器件性能退化的规律

2.5 影响器件辐照效应的因素

2.6 本章总结

第三章 辐照实验及结果分析

3.1 辐照条件与试验样品

3.2 实验数据分析

3.3 本章小结

第四章 有效电荷和漏电流建模

4.1 辐照损伤模型

4.2 仿真结果及分析

4.3 第三方数据拟合

4.4 电路评估

4.5 本章小结

第五章 全文总结与展望

5.1 全文总结

5.2 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