0 引言

    在核爆情況下，產(chǎn)生瞬時(shí)輻射主要有X射線、γ射線的總劑量輻射、劑量率輻射及中子輻射。瞬時(shí)劑量率輻射作用時(shí)間一般在幾秒內(nèi)，在電子系統(tǒng)內(nèi)引起瞬時(shí)損傷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使電子器件功能紊亂甚至燒毀。因此，研究電子器件在核輻射環(huán)境下的瞬時(shí)劑量率效應(yīng)十分重要，是進(jìn)行電路抗瞬時(shí)劑量率輻射加固設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。近年來，國內(nèi)外對(duì)MOS電子器件的中子數(shù)值模擬、中子導(dǎo)致翻轉(zhuǎn)等核輻射效應(yīng)進(jìn)行了研究，并發(fā)表了一些代表性成果^[1-6]；國外對(duì)CMOS器件及電路的瞬時(shí)輻射效應(yīng)研究也有相關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道^[7-12]。本文基于0.13 μm SOI工藝的H型NMOS器件模型，通過TCAD軟件進(jìn)行三維數(shù)值模擬，得到了不同劑量率輻射條件下NMOS漏端電流和體接觸電流的數(shù)值變化，量化了MOS器件的瞬時(shí)劑量率輻射效應(yīng)的表征參數(shù)，為超大規(guī)模集成電路抗瞬時(shí)劑量率加固設(shè)計(jì)提供了數(shù)值依據(jù)。

1 SOI器件瞬時(shí)輻射劑量率效應(yīng)

    SOI器件可消除體硅CMOS電路的寄生閂鎖效應(yīng)，并具有較強(qiáng)的抗瞬時(shí)輻射能力，廣泛應(yīng)用于抗核輻射領(lǐng)域的電子元器件中。SOI器件的瞬時(shí)劑量率效應(yīng)是指暴露于脈沖γ射線輻射的半導(dǎo)體SOI器件所表現(xiàn)出的電離輻射損傷，其機(jī)理是瞬時(shí)電離脈沖輻射在半導(dǎo)體材料中激發(fā)電子－空穴對(duì)，這些光生載流子在被器件收集的過程中產(chǎn)生瞬時(shí)光電流。當(dāng)輻射劑量率較大時(shí)光電流可能等于甚至大于器件本身的電流信號(hào)，導(dǎo)致器件性能退化甚至失效。當(dāng)γ射線射入半導(dǎo)體材料，部分光子能量被材料吸收和引起電離，激勵(lì)出電子，且在材料內(nèi)產(chǎn)生空穴-電子對(duì)。在硅中，約3.6 eV的能量產(chǎn)生一個(gè)空穴-電子對(duì)。假如產(chǎn)生空穴-電子對(duì)的區(qū)域內(nèi)存在電場，或者該區(qū)的附近存在電場，且電場的方向與PN結(jié)勢(shì)壘的方向一致，這時(shí)空穴和電子就被電場掃出，引起光電流流動(dòng)^[13]。

2 H型NMOS器件模型及電學(xué)仿真

2.1 H型NMOS器件模型

    常用的抗輻射SOI NMOS器件結(jié)構(gòu)有H柵結(jié)構(gòu)、T柵結(jié)構(gòu)、BTS柵結(jié)構(gòu)及條柵結(jié)構(gòu)等，H型柵結(jié)構(gòu)帶有兩個(gè)對(duì)稱分布、連接到地的體接觸點(diǎn)，是抗輻射設(shè)計(jì)采用最多的一種結(jié)構(gòu)。

    本文研究的0.13 μm SOI工藝H型NMOS的物理參數(shù)為溝長W_g為0.13 μm，溝寬L₁為0.8 μm，源漏寬度W₁為0.4 μm。圖1為H型NMOS器件的三維結(jié)構(gòu)圖，圖中X軸代表器件的溝長方向尺寸，Y軸代表器件的溝寬方向尺寸，Z軸代表器件的表面深度。

    圖1中，H型柵的引出端寬度W₃為0.15 μm，體接觸區(qū)域W₂為0.41 μm，體接觸寬度為0.2 μm，體接觸到引出端距離為0.21 μm。H型NMOS的柵極摻雜濃度為3×10²⁰/cm3，溝道摻雜濃度為2×10¹⁷/cm3(溝道表面)，N+區(qū)摻雜濃度為32.5×10²⁰/cm3(N+區(qū)表面)。

2.2 H型NMOS的電學(xué)特性仿真

    對(duì)上述結(jié)構(gòu)參數(shù)的H型NMOS器件電學(xué)特性進(jìn)行仿真，通過漏端給定0.1 V偏壓，對(duì)柵端在0～1.2 V電壓范圍內(nèi)進(jìn)行掃描得到NMOS的I_d-V_gs曲線；通過柵端分別給定0.5 V、1 V、1.5 V、2 V偏壓，對(duì)漏端在0～1.2 V電壓范圍內(nèi)進(jìn)行掃描得到I_d-V_ds曲線。曲線圖分別如圖2、圖3所示，器件閾值電壓Vth為0.35 V。

    圖2表明漏端電流I_d隨著V_gs的增加而線性增加，當(dāng)V_gs=1.2 V時(shí)，I_d達(dá)到最大值，為23 μA。圖3中，當(dāng)V_ds=0.2 V、V_gs=1.0 V時(shí)，I_d達(dá)到最大的30 μA左右；當(dāng)V_gs=1.5 V時(shí)，I_d約為70 μA。圖3表明在一定的V_ds下，V_gs越大，漏電流I_d也越大。圖2中X軸為柵源電壓V_gs、單位V，Y軸為漏電流I_d，單位μA。圖3中X軸為漏源電壓V_ds，單位V，Y軸為漏電流I_d，單位μA。從圖2、圖3的仿真結(jié)果得出上述結(jié)構(gòu)參數(shù)的H型NMOS的電學(xué)特性符合常規(guī)NMOS器件的電學(xué)特性，表明該H型NMOS結(jié)構(gòu)是有效的。

3 H型NMOS瞬時(shí)劑量率數(shù)值模擬及分析

    為了分析上述結(jié)構(gòu)的H型NMOS的瞬時(shí)劑量率效應(yīng)，對(duì)該器件進(jìn)行三維數(shù)值模擬，在開態(tài)下和關(guān)態(tài)下瞬時(shí)劑量率對(duì)H型NMOS器件瞬時(shí)電流的影響。開態(tài)下仿真偏置條件為漏端給定0.1 V，柵端給定1.2 V；關(guān)態(tài)下仿真偏置條件為漏端給定1.2 V，柵端置零。

    H型NMOS結(jié)構(gòu)在不同劑量率輻照下的電學(xué)特性仿真，選取劑量率在1×10⁸～1×10¹⁰(Gy(Si)/s)之間7個(gè)點(diǎn)，從仿真結(jié)果中可以看出，不同劑量率產(chǎn)生的脈沖電流峰值不同，峰值隨著劑量率增大而增大，并且在峰值時(shí)間處達(dá)到最大值。瞬時(shí)劑量率效應(yīng)主要影響NMOS晶體管的漏電流和體接觸端電流，從而導(dǎo)致晶體管邏輯狀態(tài)的變化。因此，NMOS瞬時(shí)劑量率效應(yīng)仿真主要關(guān)注其輻照前后漏電流及體接觸電流的大小變化。

3.1 開態(tài)NMOS瞬時(shí)劑量率仿真

    通過三維數(shù)值模擬，H型NMOS器件開態(tài)瞬時(shí)輻照下漏端電流變化如圖4所示，體接觸端電流變化如圖5所示，圖4中X軸為瞬態(tài)持續(xù)時(shí)間，單位μs，Y軸為漏端瞬時(shí)電流變化ΔI_d，單位μA；圖5中X軸為瞬態(tài)持續(xù)時(shí)間，單位μs，Y軸為體接觸端瞬時(shí)電流變化ΔI_sub，單位nA。瞬時(shí)電流持續(xù)時(shí)間約為2 μs。三維仿真時(shí)，由于SOI器件的體接觸有效接出，瞬時(shí)輻照下器件瞬時(shí)電流恢復(fù)時(shí)間只有數(shù)微秒。

    H型NMOS在開態(tài)時(shí)漏電流變化率和體接觸端電流峰值如表1所示。

3.2 關(guān)態(tài)NMOS瞬時(shí)劑量率仿真

    通過三維數(shù)值模擬，H型NMOS在關(guān)態(tài)時(shí)漏電流變化和體接觸端電流峰值如表2所示。

    從H型NMOS開態(tài)和關(guān)態(tài)時(shí)瞬時(shí)劑量率輻射引起的漏電流和體接觸端電流的仿真數(shù)據(jù)上來看，當(dāng)劑量率達(dá)到1×109 Gy(Si)/s時(shí)，漏電流變化量為13 nA，體接觸電流峰值為26 nA，器件在給定輻照條件下產(chǎn)生的光電流數(shù)量級(jí)很小，由光電流引起的器件影響也很小。

4 結(jié)論

    瞬時(shí)條件下在器件內(nèi)部產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，p型體區(qū)中空穴積累引起浮體效應(yīng)，引入p型體接觸端作為空穴排泄通道；n型體區(qū)中積累電子電荷引起浮體效應(yīng)，引入n型體接觸端作為電子排泄通道。因?yàn)樗矔r(shí)劑量率輻射產(chǎn)生的空穴和電子主要積累在體區(qū)下方，在電場的作用下大部分空穴/電子從體接觸端排出，以達(dá)到抗瞬時(shí)輻照的效果。

    光電流的產(chǎn)生不僅與輻射入射條件有關(guān)，還與器件的結(jié)構(gòu)、尺寸、體接觸端距離有關(guān)。從NMOS器件的三維仿真數(shù)據(jù)看出，上述結(jié)構(gòu)H型NMOS器件在劑量率小于5×10⁹ rad(Si)/s的輻照條件下產(chǎn)生的光電流為幾十納安，對(duì)器件影響很小。從NMOS三維數(shù)值模擬可以得出：尺寸越小產(chǎn)生的光電流越少，體接觸與體區(qū)距離越小，光電流排泄效果越好，即抗瞬時(shí)輻射性能越好。

    本文通過三維數(shù)值模擬，定量分析了不同瞬時(shí)劑量率輻射下的H型NMOS產(chǎn)生光電流大小及變化趨勢(shì)，為研究0.13 μm SOI工藝下H型NMOS瞬時(shí)輻射效應(yīng)提供了參考。

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作者信息:

薛海衛(wèi)1，張猛華1，楊光安2

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇 無錫214035；2.東南大學(xué)，江蘇 南京210001)