新型抗總劑量效應版圖的加固器件

樸巍++單嬋++劉彥娟

本文設計了一種新型的抗輻射Z柵MOS器件版圖結構。該結構同傳統抗輻射結構環柵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計不受限。通過與非抗輻射結構條柵MOS器件和抗輻射結構環柵MOS器件的Id-Vg曲線進行對比，驗證了Z柵MOS器件的抗輻射性能，可達到輻射劑量為500krad（Si）的加固水平，滿足大多數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，進一步驗證了Z柵MOS器件能夠有效減小由于總劑量（TID）效應引起的器件特性變化。所有仿真結構通過Sentaurus TCAD對器件進行三維仿真得到。

【關鍵詞】總劑量效應 NMOSFET 版圖 閾值電壓 關態漏電流 淺溝槽隔離

總劑量效應（TID效應）會導致在半導體器件中的引起異常，在氧化物中和界面處產生陷阱電荷和界面態，導致MOS器件的關態漏電流增大，閾值電壓漂移。由于工藝的進步，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。因而，較厚的氧化物如淺溝槽隔離氧化物（STI）是TID效應對器件性能的影響的主導因素。

在條柵MOS器件中，TID效應在溝道與STI交界面處產生寄生導電通路，如圖1中紅線所示，產生寄生漏電流，并且隨著劑量的增大而增大。圖1（b）中為環柵MOS器件的版圖示意圖，該結構具有很強的抗輻射性能，但是以犧牲版圖面積為代價的，不利于應用在高度集成的電路中，由于設計技術引起的版圖面積過大問題仍然是當今抗輻射器件版圖結構設計的一個主要缺點。此外，環柵MOS器件的寬長比設計也存在限制，可實現的最小寬長比為2.26，并且以增大溝道長度為代價，此時的溝道長度已接近7μm，不僅造成版圖面積增大，還會使柵電容增大，減緩開關速度，在數字電路中是一個大問題，無法實現小寬長比設計對于在模擬電路中的應用也不利。

為了消除寄生漏電路徑并彌補環柵的不足，提出了Z柵MOS器件抗輻射版圖加固結構，如圖1.（c）所示。通過與條形柵MOS器件和環柵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效應引起的關態漏電流。此外，提取了三種MOS器件輻射前后的閾值電壓和關態漏電流，從這兩個角度進行對比分析，更全面的說明了TID效應對Z柵MOS器件的影響非常小，進一步驗證了該結構的抗輻射性能可達到輻射劑量為500krad（Si）的加固水平，可以滿足大多數航天任務要求。

1 器件結構和仿真策略

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/漏同時相鄰，繼而無法形成完整的寄生漏電通路，實現了輻射加固的目的。器件溝道寬度定義為W如圖1（c）所示。三種結構的關鍵參數相同，環柵MOS器件的等效寬長比為21.75，其他兩種結構的寬長比為0.21μm/0.13μm。

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

2 仿真結果與討論

2.1 輻射后的轉移特性曲線

在本節中，對比了三種結構在不同固定電荷密度下的Id-Vg曲線。其中設置大小為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器件的關態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下的關態漏電流大小，與開態電流相當，這可能會導致器件無法完全關閉，使器件失效。此外，條形柵MOS器件的開態電流也隨著固定電荷密度的增大而小幅度的增大?？梢奣ID效應對于條形柵MOS器件這種非抗輻射結構的關態漏電流的影響是非常大的。

圖3為環柵MOS器件在不同固定電荷密度下的轉移特性曲線。由圖可見，曲線幾乎互相重合，基本上可以說在環柵MOS器件中并沒有產生由于TID效應引起的寄生漏電路徑。這是因為環柵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下的關態漏電流相對于輻射前僅有小幅度上升，并且開態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效應引起的關態電流增大的影響，驗證了Z柵MOS器件的抗輻射性能可達到輻射劑量為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柵MOS器件，但由于前文提到的在環柵MOS器件中，存在多種不可忽視的劣勢，因而在應用于非超高輻射劑量的環境中，如非幾十兆級的環境，Z柵MOS器件具有很好的應用價值。

2.2 器件的閾值電壓參數的提取和分析

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的轉移特性曲線提取了閾值電壓，分別模擬輻射前后的輻射環境。對比三種MOS器件的兩個參數在輻射前后的變化，表征其抗輻射性能的強弱。首先對閾值電壓參數進行分析。

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效應對條形柵MOS器件的閾值電壓影響很大。相比之下，環柵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效應對器件閾值電壓的影響，驗證了Z柵MOS器件的抗輻射性能。

3 結論

本文介紹了一種新型抗總劑量效應版圖加固的Z柵MOS器件。通過與非抗輻射條形柵MOS器件和抗輻射環柵MOS器件的對比，說明了TID效應對Z柵MOS器件的轉移特性曲線和閾值電壓影響很小，驗證了Z柵MOS器件可達到輻射劑量為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計不受限的優勢，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，具有更好的應用價值。

參考文獻

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作者簡介

樸?。?991-），女，朝鮮族，吉林省長春市人。碩士研究生學位。研究方向為新型半導體器件設計與可靠性研究。

作者單位

哈爾濱工程大學信息與通信工程學院 黑龍江省哈爾濱市 150001