SOI MOS器件辐射效应的机理与可靠性研究

发布时间：2017-03-23 08:10

  本文关键词：SOI MOS器件辐射效应的机理与可靠性研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：当电子元器件持续暴露于辐射环境时,高能粒子会进入电子器件内。这些高能粒子将会在组成器件的各种氧化物和绝缘体结构内,形成大量陷阱电荷的积累,最终导致器件性能的退化和失效。SOI(绝缘体上硅)结构中,制造的有源器件处于绝缘层之上,实现了集成电路中元器件的介质隔离,具有减小的P-N结面积和电荷收集体积。因此,SOI技术具有更好的抗单粒子效应和抗瞬时剂量率效应的能力,一直以来广泛应用于军事,空间等领域。另外,基于SOI技术的器件和电路与体硅电路相比,具有寄生电容小、集成密度高、速度快、短沟道效应小等优势,这些都使其有可能成为未来的半导体主流技术。但是,电离总剂量辐照环境导致SOI结构的场氧化层和埋氧化层中,俘获了大量的氧化层陷阱电荷,产生了一系列的寄生晶体管结构。因此,这些寄生结构消弱了SOI技术相对于体硅晶体管的优势,采取措施降低这些寄生结构的影响是提高SOI技术的抗辐照性能的重要研究方向。本论文首先研究了SOI MOS器件总剂量辐射效应的机理,在此基础上对项目提供的非加固SOI MOS器件在总剂量辐照实验中的偏置、衬底电流和Kink效应进行了分析;提出了传输态偏置条件下,SOI NMOS器件的背栅阈值电压模型;最后,探索了总剂量和热载流子耦合应力条件下,器件跨导和阈值电压的变化,为进一步研究SOI器件的可靠性以及多种应力条件下的损伤机理提供了参考。其次,对MOS体硅和SOI器件的单粒子效应进行了计算机仿真模拟,结构表面三维单粒子仿真模拟更符合和接近实际情况,最后探索了在总剂量条件下,SOI器件单粒子效应的新趋势。全文研究可以概括为以下四个部分:1.研究了在不同辐照偏置和测量偏置下,未经过抗辐照加固的0.8?m SOI NMOS的总剂量辐射效应,讨论了其辐照响应机制。揭露了在总剂量辐照条件下,SOI NMOS器件三种不同的kink效应,发现传输态偏置是SOI器件的背栅最劣辐照偏置条件。最后,对SOI器件进行了热载流子应力之后的总剂量辐射效应的研究,建立了一种定性描述MOS器件热载流子和辐射耦合效应的跨导模型。2.探讨了通过离子注入技术在埋氧层中注入Si+,以引入电子陷阱来补偿总剂量效应在埋氧层中空穴陷阱俘获的空穴电荷;通过硅岛隔离与LOCOS隔离技术相结合的氧化台面隔离技术,从而实现SOI器件的电隔离;采用H栅体接触结构,消除了晶体管的边缘寄生效应。通过对材料和工艺加固的PD SOI器件的地面总剂量实验,验证了以上的加固措施对器件进行加固的有效性和合理性。3.采用计算机仿真和数值模拟的方法,研究了NMOS器件的单粒子效应。主要包括不同漏极偏置,不同栅长度和不同注入位置下,NMOS器件漏极单粒子瞬态脉冲电流的变化趋势。最后,对单粒子效应电荷收集方式在器件中的产生和消失的物理过程进行了详细的分析。4.研究了SOI MOS器件的寄生双极放大效应,研究了线性传输能量值(LET)和单粒子注入位置等关键重离子参数,对PD SOI器件和FD SOI器件的寄生双极放大效应的影响,并对两种SOI结构的仿真结果进行了比较。研究了二维和三维SOI器件的单粒子效应,以及SOI NMOS器件,在总剂量辐照条件下的单粒子效应。结果表明:随着总剂量水平的增加,器件在同等条件的重离子注入下,所产生的最大漏极电流的脉冲变化较小,只是稍有增大,但是漏极收集电荷随总剂量水平增加的幅度较大。
【关键词】：部分耗尽SOI器件 总剂量效应 单粒子效应 氧化层空穴陷阱
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN386
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 符号对照表13-14
• 缩略语对照表14-18
• 第一章 绪论18-26
• 1.1 研究背景18-23
• 1.1.1 辐射环境18-20
• 1.1.2 SOI器件的优越性20-21
• 1.1.3 SOI器件的辐射效应21-23
• 1.2 研究现状和意义23
• 1.3 研究目标和内容23-26
• 第二章 MOS器件辐射效应的产生机制以及失效表征方法26-34
• 2.1 MOS器件的总剂量效应研究机制26-29
• 2.1.1 电荷产生27-28
• 2.1.2 氧化层陷阱28
• 2.1.3 界面陷阱28-29
• 2.2 辐照引起器件特性变化29-31
• 2.3 器件辐照表征和测试分析方法31-33
• 2.3.1 器件性能退化与参量表征31-32
• 2.3.2 器件测试方法与分析方法32-33
• 2.4 本章小结33-34
• 第三章 未加固 SOI 器件的总剂量辐射效应研究34-60
• 3.1 实验方案34-36
• 3.1.1 实验样品35-36
• 3.1.2 总剂量实验和测试条件36
• 3.2 偏置条件对SOI NMOS器件总剂量效应的影响36-41
• 3.2.1 辐照实验偏置条件的影响37
• 3.2.2 测量偏置条件的影响37-40
• 3.2.3 辐照对器件体电流的影响40-41
• 3.3 总剂量辐照条件下的Kink效应研究41-46
• 3.3.1 线性区Kink效应42
• 3.3.2 碰撞电离引起的Kink效应42-44
• 3.3.3 背栅异常的“Kink效应”44-46
• 3.4 PD SOI的背栅最劣偏置研究46-52
• 3.4.1 偏置条件对SOI器件的背栅阈值电压漂移影响46-49
• 3.4.2 模拟工具及模型参数的选择49-51
• 3.4.3 不同偏置条件SOI器件的背栅晶体管仿真研究51-52
• 3.5 热载流子和辐照耦合效应的研究52-58
• 3.5.1 实验方案设计53-54
• 3.5.2 实验结果分析54-56
• 3.5.3 热载流子和辐射耦合效应的跨导模型56-58
• 3.6 本章小结58-60
• 第四章 加固SOI器件的总剂量辐射效应研究60-74
• 4.1 SOI材料加固研究60-62
• 4.1.1 Si+注入技术改性加固SIMOX材料的原理60
• 4.1.2 样品制备和辐照实验60-61
• 4.1.3 实验结果与分析61-62
• 4.2 SOI器件加固研究62-65
• 4.2.1 SOI器件工艺优化加固方法62-63
• 4.2.2 SOI器件版图优化加固方法63-65
• 4.3 加固SOI器件的总剂量辐照研究65-72
• 4.3.1 加固SOI NMOS前栅特性研究66-70
• 4.3.2 加固SOI NMOS背栅特性研究70-72
• 4.4 本章小结72-74
• 第五章 MOS器件单粒子效应仿真研究74-86
• 5.1 单粒子注入模型74-75
• 5.2 NMOS器件中单粒子瞬态电流收集机制75-83
• 5.2.1 仿真物理模型和结构75-78
• 5.2.2 数值结果和分析78-83
• 5.3 NMOS器件中漏极电压随时间的变化83
• 5.4 本章小结83-86
• 第六章 SOI器件单粒子效应仿真研究86-106
• 6.1 二维SOI器件的单粒子效应仿真86-94
• 6.1.1 双极放大效应的物理机制86-88
• 6.1.2 仿真结构和选取的物理模型88-90
• 6.1.3 模拟结果和分析90-94
• 6.2 三维SOI器件单粒子效应仿真94-99
• 6.2.1 单子里入射半导体的径迹94
• 6.2.2 三维单粒子效应仿真的器件结构94-96
• 6.2.3 调整三维仿真程序中的物理模型96-98
• 6.2.4 二维和三维SOI器件的单粒子仿真效应比较98-99
• 6.3 总剂量条件下SOI器件的单粒子效应99-104
• 6.3.1 计算栅氧和埋氧层中的有效空穴电荷密度100-101
• 6.3.2 总剂量条件下的SOI器件的单粒子效应仿真101-104
• 6.4 本章小结104-106
• 第七章 结论和展望106-108
• 7.1 研究结论106-107
• 7.2 研究展望107-108
• 参考文献108-116
• 致谢116-118
• 作者简介118-120
• 1.基本情况118
• 2.教育背景118
• 3.在学期间的研究成果118-120

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 李泽宏,李肇基,杨舰;横向高压DMOS单粒子辐照瞬态响应[J];电子科技大学学报;2004年02期

  本文关键词：SOI MOS器件辐射效应的机理与可靠性研究，由笔耕文化传播整理发布。

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本文编号：263276