新型抗總劑量效應(yīng)版圖的加固器件

樸巍++單嬋++劉彥娟

本文設(shè)計(jì)了一種新型的抗輻射Z柵MOS器件版圖結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)同傳統(tǒng)抗輻射結(jié)構(gòu)環(huán)柵MOS器件相比，具有較小的版圖面，較小的柵電阻，并且對于器件溝道寬長比設(shè)計(jì)不受限。通過與非抗輻射結(jié)構(gòu)條柵MOS器件和抗輻射結(jié)構(gòu)環(huán)柵MOS器件的Id-Vg曲線進(jìn)行對比，驗(yàn)證了Z柵MOS器件的抗輻射性能，可達(dá)到輻射劑量為500krad（Si）的加固水平，滿足大多數(shù)對器件加固水平的要求。此外，對比了器件在輻射前后的閾值電壓，進(jìn)一步驗(yàn)證了Z柵MOS器件能夠有效減小由于總劑量（TID）效應(yīng)引起的器件特性變化。所有仿真結(jié)構(gòu)通過Sentaurus TCAD對器件進(jìn)行三維仿真得到。

【關(guān)鍵詞】總劑量效應(yīng) NMOSFET 版圖 閾值電壓 關(guān)態(tài)漏電流 淺溝槽隔離

總劑量效應(yīng)（TID效應(yīng)）會導(dǎo)致在半導(dǎo)體器件中的引起異常，在氧化物中和界面處產(chǎn)生陷阱電荷和界面態(tài)，導(dǎo)致MOS器件的關(guān)態(tài)漏電流增大，閾值電壓漂移。由于工藝的進(jìn)步，工藝尺寸不斷減小，在厚度小于10nm的超薄氧化物中，凈電荷很小因而可以忽略，并且在0.25μm及以下工藝中，即使在非常高的劑量下，輻射引起的閾值電壓的變化也可以忽略不計(jì)。因而，較厚的氧化物如淺溝槽隔離氧化物（STI）是TID效應(yīng)對器件性能的影響的主導(dǎo)因素。

在條柵MOS器件中，TID效應(yīng)在溝道與STI交界面處產(chǎn)生寄生導(dǎo)電通路，如圖1中紅線所示，產(chǎn)生寄生漏電流，并且隨著劑量的增大而增大。圖1（b）中為環(huán)柵MOS器件的版圖示意圖，該結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的抗輻射性能，但是以犧牲版圖面積為代價(jià)的，不利于應(yīng)用在高度集成的電路中，由于設(shè)計(jì)技術(shù)引起的版圖面積過大問題仍然是當(dāng)今抗輻射器件版圖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)主要缺點(diǎn)。此外，環(huán)柵MOS器件的寬長比設(shè)計(jì)也存在限制，可實(shí)現(xiàn)的最小寬長比為2.26，并且以增大溝道長度為代價(jià)，此時(shí)的溝道長度已接近7μm，不僅造成版圖面積增大，還會使柵電容增大，減緩開關(guān)速度，在數(shù)字電路中是一個(gè)大問題，無法實(shí)現(xiàn)小寬長比設(shè)計(jì)對于在模擬電路中的應(yīng)用也不利。

為了消除寄生漏電路徑并彌補(bǔ)環(huán)柵的不足，提出了Z柵MOS器件抗輻射版圖加固結(jié)構(gòu)，如圖1.（c）所示。通過與條形柵MOS器件和環(huán)柵MOS器件的Id-Vg曲線的對比，說明了Z柵MOS器件能有效減小由于TID效應(yīng)引起的關(guān)態(tài)漏電流。此外，提取了三種MOS器件輻射前后的閾值電壓和關(guān)態(tài)漏電流，從這兩個(gè)角度進(jìn)行對比分析，更全面的說明了TID效應(yīng)對Z柵MOS器件的影響非常小，進(jìn)一步驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)的抗輻射性能可達(dá)到輻射劑量為500krad（Si）的加固水平，可以滿足大多數(shù)航天任務(wù)要求。

1 器件結(jié)構(gòu)和仿真策略

與條形柵MOS器件相比，Z柵MOS器件通過額外引入兩條短柵，使STI無法與源/漏同時(shí)相鄰，繼而無法形成完整的寄生漏電通路，實(shí)現(xiàn)了輻射加固的目的。器件溝道寬度定義為W如圖1（c）所示。三種結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)相同，環(huán)柵MOS器件的等效寬長比為21.75，其他兩種結(jié)構(gòu)的寬長比為0.21μm/0.13μm。

本文通過器件仿真軟件Sentaurus TCAD，采用Insulator Fixed Charge模型通過設(shè)置帶正電的固定電荷密度的方式，來模擬總劑量效應(yīng)在MOS器件中的作用。由于本文中的柵氧厚度為2nm，可忽略TID效應(yīng)對柵氧的影響，因而主要考慮TID效應(yīng)在STI中的影響，在STI與溝道交界面設(shè)置不同固定電荷密度來模擬不同輻射劑量。由文獻(xiàn)[6]可知，固定電荷密度為2.93×1012/cm2的正固定電荷相當(dāng)于輻射500krad（Si）劑量的γ射線；密度為3.26×1012/cm2的正固定電荷相當(dāng)于輻射500krad（Si）劑量的γ射線。本文設(shè)置了最高為3.5×1012/cm2固定電荷密度，足夠仿真500krad（Si）的輻射劑量。

2 仿真結(jié)果與討論

2.1 輻射后的轉(zhuǎn)移特性曲線

在本節(jié)中，對比了三種結(jié)構(gòu)在不同固定電荷密度下的Id-Vg曲線。其中設(shè)置大小為3.5×1010/cm2的固定電荷密度來模擬輻射前的情況。

由圖2可見，條形柵MOS器件的關(guān)態(tài)漏電流隨著固定電荷密度的增大而迅速增大，并且在固定電荷密度為3.5×1012/cm2下的關(guān)態(tài)漏電流大小，與開態(tài)電流相當(dāng)，這可能會導(dǎo)致器件無法完全關(guān)閉，使器件失效。此外，條形柵MOS器件的開態(tài)電流也隨著固定電荷密度的增大而小幅度的增大?？梢奣ID效應(yīng)對于條形柵MOS器件這種非抗輻射結(jié)構(gòu)的關(guān)態(tài)漏電流的影響是非常大的。

圖3為環(huán)柵MOS器件在不同固定電荷密度下的轉(zhuǎn)移特性曲線。由圖可見，曲線幾乎互相重合，基本上可以說在環(huán)柵MOS器件中并沒有產(chǎn)生由于TID效應(yīng)引起的寄生漏電路徑。這是因?yàn)榄h(huán)柵MOS器件通過改變柵的形狀，使得源/漏間的電流都只能從柵下的超薄柵氧中流通，即通電路徑與STI完全隔離，因而具有很強(qiáng)的抗輻射性能。

圖4為Z柵MOS器件在不同固定電荷密度下的轉(zhuǎn)移特性曲線。由圖可見，器件在固定電荷密度為3.5×1012/cm2下的關(guān)態(tài)漏電流相對于輻射前僅有小幅度上升，并且開態(tài)電流也未觀察到隨著固定電荷密度的增大而有明顯的變化。說明Z柵MOS器件能夠有效減小TID效應(yīng)引起的關(guān)態(tài)電流增大的影響，驗(yàn)證了Z柵MOS器件的抗輻射性能可達(dá)到輻射劑量為500krad（Si）的加固水平。對比圖3和圖4，可得到Z柵MOS器件的抗輻射性能不及環(huán)柵MOS器件，但由于前文提到的在環(huán)柵MOS器件中，存在多種不可忽視的劣勢，因而在應(yīng)用于非超高輻射劑量的環(huán)境中，如非幾十兆級的環(huán)境，Z柵MOS器件具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

2.2 器件的閾值電壓參數(shù)的提取和分析

利用Sentaurus TCAD中的Inspect工具，對三種MOS器件在固定電荷密度為3.5×1010/cm2和3.5×1012/cm2的轉(zhuǎn)移特性曲線提取了閾值電壓，分別模擬輻射前后的輻射環(huán)境。對比三種MOS器件的兩個(gè)參數(shù)在輻射前后的變化，表征其抗輻射性能的強(qiáng)弱。首先對閾值電壓參數(shù)進(jìn)行分析。

表1給出了三種MOS器件輻射前后的閾值電壓及其輻射后閾值電壓減小的百分比。其中Vth-pre和Vth-post分別表示輻射前后的閾值電壓值。由表1可見，條形柵MOS器件在輻射前后閾值電壓由363.42mV減小為137.86mV，下降了225.56mV，閾值電壓在輻射后下降了62.07%?？梢奣ID效應(yīng)對條形柵MOS器件的閾值電壓影響很大。相比之下，環(huán)柵MOS器件由374.21V下降為374.17V，下降了0.01%；Z柵MOS器件由354.40V下降為329.14V，下降了7.13%，都相對很小。說明了Z柵MOS器件能夠有效減小TID效應(yīng)對器件閾值電壓的影響，驗(yàn)證了Z柵MOS器件的抗輻射性能。

3 結(jié)論

本文介紹了一種新型抗總劑量效應(yīng)版圖加固的Z柵MOS器件。通過與非抗輻射條形柵MOS器件和抗輻射環(huán)柵MOS器件的對比，說明了TID效應(yīng)對Z柵MOS器件的轉(zhuǎn)移特性曲線和閾值電壓影響很小，驗(yàn)證了Z柵MOS器件可達(dá)到輻射劑量為500krad（Si）的加固水平。從抗輻射性能的角度來說，Z柵MOS器件雖不及環(huán)柵MOS器件，但由于Z柵MOS器件具有較小的器件版圖面積，較小柵電阻以及對于寬長比設(shè)計(jì)不受限的優(yōu)勢，使得Z柵MOS器件在對于加固水平要求不是尤其高的情況下，例如輻射劑量為500krad（Si）的加固水平，具有更好的應(yīng)用價(jià)值。

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作者簡介

樸?。?991-），女，朝鮮族，吉林省長春市人。碩士研究生學(xué)位。研究方向?yàn)樾滦桶雽?dǎo)體器件設(shè)計(jì)與可靠性研究。

作者單位

哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 黑龍江省哈爾濱市 150001