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,，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,，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。在硅中,，約3.6 eV的能量產(chǎn)生一個(gè)空穴-電子對,。假如產(chǎn)生空穴-電子對的區(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^[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，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,，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,。

參考文獻(xiàn)

[1] 胡志良，賀朝會,，張國和,，等.超深亞微米SOI NMOSFET中子輻照應(yīng)數(shù)值模擬[J].原子能科學(xué)技術(shù)，2011,，45(4)：456-460.

[2] 陳偉,，丁李利，郭曉強(qiáng).半導(dǎo)體器件輻射效應(yīng)數(shù)值模擬技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].抗核加固,，2016,，33(3)：2-7.

[3] 郭曉強(qiáng)，郭紅霞,，王桂珍,，等.隨機(jī)靜態(tài)存儲器低能中子單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)[J].強(qiáng)激光與粒子束，2009,，21(10)：1547-1550.

[4] GRANLUND T,，OLSSON N.SEUs induced by thermal to high-energy neutrons in SRAMs[J].IEEE Transactions on Nuclear Science，2006,，53(6)：3798-3802.

[5] LAMBERT D,，BAGGIO J，F(xiàn)ERLET-CAVROIS V,，et al.Neutron-induced SEU in bulk SRAMs in terrestrial environment：simulations and experiments[J].IEEE Transactions on Nuclear Science,，2004，51(6)：3435-3441.

[6] FLAMENT O,，BAGGIO J,，D′HOSE C，et al.14MeV Neutron-Induced SEU in SRAM devices[J].IEEE Transactions on Nuclear Science,，2004,，51(5)：2908-2911.

[7] NIKIFOROV A Y，CHUMAKOV A I,，SKOROBOGATOV O.CMOS IC transient radiation effects investigations,model verification and parameter extraction with the test structures laser simulation tests[C].Proceedings of 1996 IEEE International Conference on Microelectronic Test Structures,，1996，l9：253-258.

[8] FERLET-CAVROIS V,，DUPONT-NIVET E,，VILDEVIL J C，et al.Transient radiation effects in CMOS/SOI transistors and circuits[C].RADECS 97.IEEE，1997.

[9] GARDIC F,，MUSSEAU O,，F(xiàn)LAMENT O，et al.Analysis of local and global transient effects in a CMOS SRAM[C].IEEE Proceedings of the Third European Conference on Radiation and Its Effects on Components and Systems,，1996：346-353.

[10] DOZIER C M,，BROWN D B，SANDELIN J W,，et al.Dose and dose rate dependence of 8080A microprocessor failures[J].IEEE Transactions on Nuclear Science,，1980，27(4)：1299-1304.

[11] 李同德,，趙元富,，王亮，等.多電壓集成電路的瞬時(shí)劑量率輻射效應(yīng)試驗(yàn)研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2017，43(1)：6-9.

[12] 劉家齊,，趙元富,，王亮，等.65 nm反相器單粒子瞬態(tài)脈寬分布的多峰值現(xiàn)象[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2017,，43(1)：20-23.

[13] 劉文平.硅半導(dǎo)體器件輻射效應(yīng)及加固技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2013.

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)