封闭形栅NMOS晶体管的设计与器件特性研究

摘要

随着半导体技术的飞速发展和器件工艺尺寸的减小，互补型金属氧化物半导体（简写为CMOS）集成电路的可靠性问题越来越明显。尤其是在航天领域中，辐射所带来的可靠性问题尤为突出，抗辐射加固产品的需求越来越高，对使用芯片及系统抗辐射能力的要求也越来越高。在众多抗辐射加固方法中，采用封闭形栅晶体管的版图设计对于总剂量辐射效应是一种有效的抗辐射加固方法。于是，如何使用正确的宽长比提取方法对封闭形栅进行设计，并估算其带来的面积损耗以及封闭形栅NMOS晶体管的可靠性进行研究成为了现阶段半导体器件的研究热点。基于以上背景，本文围绕封闭形栅NMOS晶体管的设计与器件特性展开了研究。具体内容如下：
　　基于商用CMOS工艺线，设计并制备了不同栅氧化层厚度和不同栅形状的封闭形栅NMOS晶体管，主要有环形栅、半环形栅和用于对比研究的条形栅。通过对完成制备的各种样片进行电特性测试，表明所设计的NMOS晶体管达到设计要求。并对条形栅、半环形栅和环形栅NMOS晶体管的最小宽长比和所占的版图面积进行了对比研究，并对比研究了三种提取封闭形栅NMOS晶体管的有效宽长比的方法，实验显示环形栅常使用的中线近似法和半环形栅使用的均值法提取有效 W/L都存在误差，在可接受范围内，是最简单有效的方法。
　　通过对不同栅氧厚度的封闭形栅NMOS晶体管进行辐射实验研究和计算机仿真研究，通过对工艺修正参数的调整，可以使实验数据和仿真数据达到很好的一致性，仿真结果和实验结果显示在栅氧化层更薄的工艺线中，封闭形栅NMOS的抗总剂量辐射加固效果更加显著，环形栅的加固效果优于半环形栅。
　　对比研究了基于0.18μm CMOS工艺的环形栅、半环形栅和条形栅NMOS晶体管的热载流子效应，通过对其应力前后电特性的对比研究分析，结果显示，随着直流应力退化时间的累积，NMOS晶体管的漏电流会减小，阈值电压变大、跨导的峰值也会变小。并且，同一宽长比的NMOS，环形栅的退化最严重，半环形栅其次，与条形栅相差不大。所以，封闭形栅NMOS晶体管虽然能很好提高抗总剂量辐射能力，但对于抗HCI效应没有任何优势。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本论文的主要内容

第二章 封闭形栅NMOS晶体管的设计与实现

2.1 封闭形栅NMOS晶体管的概述

2.2封闭形栅NMOS晶体管的版图设计

2.3封闭形栅NMOS晶体管的封装与实现

2.4 测试结果

2.5 本章小结

第三章 封闭形栅NMOS晶体管的器件性能研究

3.1 概述

3.2 封闭形栅的最小宽长比和面积损耗

3.3封闭形栅的电特性与有效宽长比提取

3.4 本章小结

第四章 封闭形栅NMOS晶体管的辐射效应研究

4.1空间辐射环境

4.2 CMOS集成电路的辐射效应

4.3 封闭形栅NMOS晶体管的总剂量辐射效应研究

4.4 结果及对比分析

4.5本章小结

第五章 封闭形栅NMOS晶体管的热载流子效应研究

5.1 热载流子效应概述

5.2 热载流子效应实验研究

5.3 结果及分析

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果