新型抗总剂量效应版图的加固器件

朴巍++单婵++刘彦娟

本文设计了一种新型的抗辐射Z栅MOS器件版图结构。该结构同传统抗辐射结构环栅MOS器件相比，具有较小的版图面，较小的栅电阻，并且对于器件沟道宽长比设计不受限。通过与非抗辐射结构条栅MOS器件和抗辐射结构环栅MOS器件的Id-Vg曲线进行对比，验证了Z栅MOS器件的抗辐射性能，可达到辐射剂量为500krad（Si）的加固水平，满足大多数对器件加固水平的要求。此外，对比了器件在辐射前后的阈值电压，进一步验证了Z栅MOS器件能够有效减小由于总剂量（TID）效应引起的器件特性变化。所有仿真结构通过Sentaurus TCAD对器件进行三维仿真得到。

【关键词】总剂量效应 NMOSFET 版图 阈值电压 关态漏电流 浅沟槽隔离

总剂量效应（TID效应）会导致在半导体器件中的引起异常，在氧化物中和界面处产生陷阱电荷和界面态，导致MOS器件的关态漏电流增大，阈值电压漂移。由于工艺的进步，工艺尺寸不断减小，在厚度小于10nm的超薄氧化物中，净电荷很小因而可以忽略，并且在0.25μm及以下工艺中，即使在非常高的剂量下，辐射引起的阈值电压的变化也可以忽略不计。因而，较厚的氧化物如浅沟槽隔离氧化物（STI）是TID效应对器件性能的影响的主导因素。

在条栅MOS器件中，TID效应在沟道与STI交界面处产生寄生导电通路，如图1中红线所示，产生寄生漏电流，并且随着剂量的增大而增大。图1（b）中为环栅MOS器件的版图示意图，该结构具有很强的抗辐射性能，但是以牺牲版图面积为代价的，不利于应用在高度集成的电路中，由于设计技术引起的版图面积过大问题仍然是当今抗辐射器件版图结构设计的一个主要缺点。此外，环栅MOS器件的宽长比设计也存在限制，可实现的最小宽长比为2.26，并且以增大沟道长度为代价，此时的沟道长度已接近7μm，不仅造成版图面积增大，还会使栅电容增大，减缓开关速度，在数字电路中是一个大问题，无法实现小宽长比设计对于在模拟电路中的应用也不利。

为了消除寄生漏电路径并弥补环栅的不足，提出了Z栅MOS器件抗辐射版图加固結构，如图1.（c）所示。通过与条形栅MOS器件和环栅MOS器件的Id-Vg曲线的对比，说明了Z栅MOS器件能有效减小由于TID效应引起的关态漏电流。此外，提取了三种MOS器件辐射前后的阈值电压和关态漏电流，从这两个角度进行对比分析，更全面的说明了TID效应对Z栅MOS器件的影响非常小，进一步验证了该结构的抗辐射性能可达到辐射剂量为500krad（Si）的加固水平，可以满足大多数航天任务要求。

1 器件结构和仿真策略

与条形栅MOS器件相比，Z栅MOS器件通过额外引入两条短栅，使STI无法与源/漏同时相邻，继而无法形成完整的寄生漏电通路，实现了辐射加固的目的。器件沟道宽度定义为W如图1（c）所示。三种结构的关键参数相同，环栅MOS器件的等效宽长比为21.75，其他两种结构的宽长比为0.21μm/0.13μm。

本文通过器件仿真软件Sentaurus TCAD，采用Insulator Fixed Charge模型通过设置带正电的固定电荷密度的方式，来模拟总剂量效应在MOS器件中的作用。由于本文中的栅氧厚度为2nm，可忽略TID效应对栅氧的影响，因而主要考虑TID效应在STI中的影响，在STI与沟道交界面设置不同固定电荷密度来模拟不同辐射剂量。由文献[6]可知，固定电荷密度为2.93×1012/cm2的正固定电荷相当于辐射500krad（Si）剂量的γ射线；密度为3.26×1012/cm2的正固定电荷相当于辐射500krad（Si）剂量的γ射线。本文设置了最高为3.5×1012/cm2固定电荷密度，足够仿真500krad（Si）的辐射剂量。

2 仿真结果与讨论

2.1 辐射后的转移特性曲线

在本节中，对比了三种结构在不同固定电荷密度下的Id-Vg曲线。其中设置大小为3.5×1010/cm2的固定电荷密度来模拟辐射前的情况。

由图2可见，条形栅MOS器件的关态漏电流随着固定电荷密度的增大而迅速增大，并且在固定电荷密度为3.5×1012/cm2下的关态漏电流大小，与开态电流相当，这可能会导致器件无法完全关闭，使器件失效。此外，条形栅MOS器件的开态电流也随着固定电荷密度的增大而小幅度的增大。可见TID效应对于条形栅MOS器件这种非抗辐射结构的关态漏电流的影响是非常大的。

图3为环栅MOS器件在不同固定电荷密度下的转移特性曲线。由图可见，曲线几乎互相重合，基本上可以说在环栅MOS器件中并没有产生由于TID效应引起的寄生漏电路径。这是因为环栅MOS器件通过改变栅的形状，使得源/漏间的电流都只能从栅下的超薄栅氧中流通，即通电路径与STI完全隔离，因而具有很强的抗辐射性能。

图4为Z栅MOS器件在不同固定电荷密度下的转移特性曲线。由图可见，器件在固定电荷密度为3.5×1012/cm2下的关态漏电流相对于辐射前仅有小幅度上升，并且开态电流也未观察到随着固定电荷密度的增大而有明显的变化。说明Z栅MOS器件能够有效减小TID效应引起的关态电流增大的影响，验证了Z栅MOS器件的抗辐射性能可达到辐射剂量为500krad（Si）的加固水平。对比图3和图4，可得到Z栅MOS器件的抗辐射性能不及环栅MOS器件，但由于前文提到的在环栅MOS器件中，存在多种不可忽视的劣势，因而在应用于非超高辐射剂量的环境中，如非几十兆级的环境，Z栅MOS器件具有很好的应用价值。

2.2 器件的阈值电压参数的提取和分析

利用Sentaurus TCAD中的Inspect工具，对三种MOS器件在固定电荷密度为3.5×1010/cm2和3.5×1012/cm2的转移特性曲线提取了阈值电压，分别模拟辐射前后的辐射环境。对比三种MOS器件的两个参数在辐射前后的变化，表征其抗辐射性能的强弱。首先对阈值电压参数进行分析。

表1给出了三种MOS器件辐射前后的阈值电压及其辐射后阈值电压减小的百分比。其中Vth-pre和Vth-post分别表示辐射前后的阈值电压值。由表1可见，条形栅MOS器件在辐射前后阈值电压由363.42mV减小为137.86mV，下降了225.56mV，阈值电压在辐射后下降了62.07%。可见TID效应对条形栅MOS器件的阈值电压影响很大。相比之下，环栅MOS器件由374.21V下降为374.17V，下降了0.01%；Z栅MOS器件由354.40V下降为329.14V，下降了7.13%，都相对很小。说明了Z栅MOS器件能够有效减小TID效应对器件阈值电压的影响，验证了Z栅MOS器件的抗辐射性能。

3 结论

本文介绍了一种新型抗总剂量效应版图加固的Z栅MOS器件。通过与非抗辐射条形栅MOS器件和抗辐射环栅MOS器件的对比，说明了TID效应对Z栅MOS器件的转移特性曲线和阈值电压影响很小，验证了Z栅MOS器件可达到辐射剂量为500krad（Si）的加固水平。从抗辐射性能的角度来说，Z栅MOS器件虽不及环栅MOS器件，但由于Z栅MOS器件具有较小的器件版图面积，较小栅电阻以及对于宽长比设计不受限的优势，使得Z栅MOS器件在对于加固水平要求不是尤其高的情况下，例如辐射剂量为500krad（Si）的加固水平，具有更好的应用价值。

参考文献

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作者简介

朴巍（1991-），女，朝鲜族，吉林省长春市人。硕士研究生学位。研究方向为新型半导体器件设计与可靠性研究。

作者单位

哈尔滨工程大学信息与通信工程学院 黑龙江省哈爾滨市 150001