SOI MOSFET背栅总剂量辐射效应电流模型

黄建强，何伟伟，陈 静，罗杰馨

（1.中国科学院上海微系统与信息技术研究所 信息功能材料国家重点实验室，上海200050；2.中国科学院大学 北京100049）

SOI MOSFET背栅总剂量辐射效应电流模型

黄建强1，2，何伟伟1，2，陈 静1，罗杰馨1

（1.中国科学院上海微系统与信息技术研究所 信息功能材料国家重点实验室，上海200050；2.中国科学院大学 北京100049）

基于SOI CMOS技术的抗辐射电路设计存在开发周期长、测试费用昂贵的问题。针对这一难点，本文通过对总剂量辐射效应机理的分析，提出了一种背栅总剂量效应电流模型。模型验证结果表明，该背栅总剂量模型仿真结果能高度吻合测试结果，模型能够给电路设计者提供可靠的仿真结果，缩短抗辐射电路开发周期，具有实用意义。

SOI MOSFET；总剂量效应；背栅晶体管；电流模型

随着航天技术的发展，大量的航天电子器件被运用到空间环境中。由于没有大气的保护，电子器件在太空中极易受到宇宙射线的影响，产生诸如单粒子效应、瞬态辐射效应、总剂量效应等辐射相关的效应[1]。这些辐射效应对电子器件会产生不同程度与不同类型的影响，并影响到整个电路的工作状态。从而，电子器件进行抗辐射加固设计成为了日益重要的课题。

绝缘体上硅（Silicon-on-Insulator，SOI）技术是一种被广泛应用于抗辐射加固设计的技术。该技术相对于体硅技术而言，最大的改进在于增加了埋氧层，将体硅中的体区与衬底隔离开，形成介质隔离，从而杜绝闩锁效应和总剂量辐射效应引发的器件间漏电[2]。由于SOI衬底-埋氧层-顶层硅三部分形成了新的MOS结构，通常也称为背栅晶体管。这种埋氧层的存在使得基于SOI技术的晶体管在抗单粒子、瞬态辐射等效应时有着天然的优势[3]。然而，埋氧层的存在也增加了总剂量辐射效应的敏感区域，使得SOI的总剂量效应变得更严重[4]。通过电路设计验证加固效果时需要反复对电路进行辐射实验，大大增加了抗辐射电路开发的成本，开发周期十分漫长。针对总剂量效应建立可用于电路仿真的SPICE模型，是一种较为迅速的加固设计开发方法。已有的研究主要针对SOI器件的前栅栅氧与隔离场氧建立总剂量模型[5-8]，缺少针对埋氧层进行的建模。文中将重点分析SOI器件埋氧层的总剂量效应，并建立背栅SPICE模型，最后通过对比仿真结果与测试结果来验证该模型的准确性。

1 MOS结构总剂量阈值电压模型

1.1 总剂量辐射效应机理

金属-氧化物-半导体（MOS）结构是现代集成电路工艺中最基本的结构，除去MOSFET中主晶体管MOS结构，SOI器件中还存在着大量的MOS寄生结构，比如栅-场氧-硅；衬底-埋氧-硅等等。这些结构在一定的条件也具备MOSFET一样的电学特性，只是阈值电压与载流子迁移率等关键参数不同。

空间环境中的高能射线在穿过MOS的氧化层时，会电离产生电子-空穴对，如图1所示，一部分电子-空穴对在电场的作用下会分离，朝向不同的方向运动；另一部分则在很短的时间内重新复合[9]。这个分离的比例定义为电荷产率f（E），其中E表示MOS中电场的大小。

图1 辐射产生的电子-空穴对

未复合的电子与空穴在氧化层中的运动如图2所示。电子被电场直接“扫”到正极，空穴则由于运动速度较慢，在电场的推动下缓慢向SiO2-Si的界面运动。空穴的运动会依靠氧化物中的空位来“跳动”，这一过程会释放出部分氢离子，该氢离子也会在电场的作用下向SiO2-Si的界面运动[10-11]。

图2 MOS结构受总剂量效应产生的电荷分布

1.2 总剂量阈值电压偏移模型

空穴与氢离子的不同在于，空穴只运动到界面附近便形成氧化物陷阱，而氢离子会运动到界面上，形成界面陷阱[12]。氧化物陷阱会使得MOSFET的阈值电压负偏，界面陷阱则针对MOSFET的类型不同而产生不同的阈值电压偏移：NMOS阈值电压正向偏移；PMOS阈值电压负向偏移[13]。综合两种陷阱电荷对阈值电压的影响，可以建立阈值电压的偏移模型：

其中 Qhole是没有被复合的空穴数目，Qhydrogen是空穴在运动过程中释放的氢离子，Cox是栅氧电容。

辐射产生空穴对数目可以表示为

其中q为电荷常量，ke为剂量增强因子，D为总剂量，g0为SiO2中单位剂量产生的电子-空穴对数目，是一个常量；tox表示栅氧化层厚度。

由于Qhydrogen数目不会超过，因此，式（1）也可以表示为：

其中εox表示SiO2的介电系数。

有研究表明，器件受到总剂量辐照之后，阈值电压会以近似线性的关系随剂量增加而变化。当剂量达到一定程度之后，阈值电压将达到饱和，不会继续负向偏移[14]。这是由于氧化层内的陷阱电荷达到饱和的原因。由此，我们可以将式（3）中关于电荷与剂量的部分用指数关系表示为：

其中k1是一个综合系数；τ表示电荷的分布系数。最终得到MOS受到总剂量影响造成的阈值电压偏移模型为：

2 SOI背栅晶体管总剂量电流模型

SOI中衬底-埋氧-硅构成一个与主晶体管位置相反的背栅晶体管，如图3所示。背栅晶体管的栅氧层即埋氧层。在0.13 μm SOI CMOS工艺条件下，埋氧层通常厚达一百多纳米，而主晶体管的栅氧层只有几纳米厚。所以，背栅晶体管的电学特性与主晶体管有很大不同，阈值电压远大于主晶体管的阈值电压。

通过将式（5）中 tox改为埋氧层厚度可以看到，背栅晶体管受到总剂量影响的敏感程度远大于前栅晶体管。然而，背栅实际产生的总剂量效应与埋氧层中电场强度有关，不单纯依赖于埋氧层的厚度。如图4、图5所示为器件内部电势仿真的结果，两条实线之间的部分为埋氧层，其下方为衬底，上方为硅。从两图中可以看到，不同的偏置电压下，埋氧层中的电场的分布也不同。这就造成了器件在辐照环境中产生的空穴分布不均匀。

图3 背栅晶体管漏电通道

图4 OFF偏置时埋氧层中产生的电场大小 （使用PISCASII仿真得到）

图5 ON偏置时埋氧层中产生的电场大小

图6 背栅晶体管等效受控电流源

如图6所示，空穴的分布倾向于漏、源其中一侧。背栅晶体管的导通取决于空穴积累最少的部分，即图6中靠近源区的部分。因此，可以将背栅晶体管等效为一个沟道长度较小，沟道宽度等于主晶体管的寄生晶体管。由于背栅晶体管的电流只是以漏电流的形式叠加到主晶体管上，所以，背栅晶体管可以简化为一个受总剂量影响的受控电流源[15]。其电流大小表示为：

其中μbg表示载流子迁移率；Cox，bg表示埋氧层片电容大小；W表示沟道宽度；Lbg表示背栅晶体管的等效沟道长度；Abulk表示体电荷因子；vt为热电压。Vgsteff，bg与 Vdseff，bg分别表示有效过驱动电压与有效漏电压，两者可以从工业标准模型BSIM3.3模型的计算公式直接得到计算结果。Vgsteff，bg集中反映了式（5）中阈值电压的偏移情况。

图7 背栅模型子电路

简化后的背栅总剂量模型可以并联到主晶体管上，构成如图 7所示的子电路。该子电路可用Verilog-A实现如下：

该Verilog-A实现的模型可以直接在SPICE电路网表中进行调用，仿真电路受到总剂量效应影响而产生的背栅特性退化程度。

3 模型仿真结果

为了验证背栅总剂量模型，我们设计了总剂量辐照测试实验，通过对比测试结果与仿真结果来判断该模型的准确性。总剂量测试采用0.13 μm SOI CMOS工艺，使用有体接触的NMOS Core器件，宽长比W/L=10 μm/0.13 μm；辐射采用中国科学院新疆理化技术研究所的60Co辐射源，剂量率为125 rad（Si）/s；总剂量数据采集点分别为：100 krad（Si）、400 krad（Si）、700 krad（Si）、1 000 krad（Si）；辐照器件采用OFF偏置，具体条件为：Vg=Vs=Vb=Vbg=GND，Vd=1.2 V；每个剂量点辐照结束后，使用Keithely 4200-SCS半导体参数分析仪采集背栅晶体管的转移特性，数据采集过程控制在30分钟以内，以防止器件退火对特性测试造成干扰。

如图8所示，点表示总剂量测试结果，实线表示调用HSPICE仿真得到的结果。除去精度范围以外的数据，从对比结果可以看出，仿真结果与测试结果高度吻合。进一步地，图8表明，阈值电压随着剂量的增加而负向偏移，并最终达到饱和，这一过程与理论分析相吻合，说明该背栅模型能够充分反映SOI器件背栅晶体管的总剂量效应。

图8 背栅模型仿真结果与器件辐射测试结果对比

4 结 论

文中针对SOI器件的背栅晶体管建立了SPICE模型，使用Verilog-A实现子电路。通过HSPICE仿真模型结果与总剂量辐照测试结果进行对比，结果表明，该背栅晶体管模型可以准确地仿真SOI MOSFET器件在受到辐射之后产生的总剂量效应。该模型通过与主晶体管并联实现对总剂量导致的漏电流仿真，基于此模型的仿真结果，电路设计者可以较准确地评估电路的抗总剂量辐射性能，并针对漏电明显的模块进行重新设计加固，从而大幅缩短抗辐射电路的开发周期，减小用于加固设计开发与总剂量测试的成本。

[1]Daniel M.Fleetwood.Total ionizing dose effects in MOS and low-dose-rate-sensitive linear-bipolar devices[J].IEEE Transactions on Nuclear Science，2013，60（3）:1706-1730.

[2]NING Bing-xu，BI Da-wei，HUANG Hui-xiang，et al.Comprehensive study on the TID effects of 0.13 um partially depleted SOInMOSFETs[J].Microelectronics Journal，2013，44（2）:86-93.

[3]HUANG Hui-xiang，BI Da-wei，NING Bing-xu，et al.Total dose irradiation-induced degradation of hyste-resis effect in partially depleted silicon-oninsula-tor nMOSFETs[J].IEEE Transactions on Nuclear Science，2013，60（2）:1354-1360.

[4]HUANG Hui-Xiang，BI Da-Wei，PENG Chao，et al.The enhanced role of shallow-trench isolation in ionizing radiation damage of narrow width devices in 0.2 um partially-depleted silicon-on-insulator technology[J].Chinese Physics Letters，2013，30（8）:080701-1-4.

[5]Ivan S.Esqueda，Hugh J.Barnaby，Modeling the non-uniform distribution of radiation-induced interface traps[J].IEEE Transactions on Nuclear Science，2012，59（4）:723-727.

[6]李念龙，于奇，王凯，等.MOS结构γ总剂量效应仿真模型研究[J].微电子学，2013，43（3）:445-448.

[7]CHAO Peng，HU Zhi-yuan，ZHANG Zheng-xuan，et al.A new method for extracting the radiation induced trapped charge density along the STI sidewall in the PDSOI nMOSFETs [J].IEEE Transactions on Nuclear Science，2013，60（6）:4697-4704.

[8]Sanchez Esqueda I，Barnaby H J，King M P.Compact modeling of total ionizing dose and aging effects in MOS technologies[J].IEEE Transactions on Nuclear Science，2015，62（4）:1501-1515.

[9]NING Bing-xu，BI Da-wei，HUANG Hui-xiang，etal.Bias dependence of TID radiationresponses of 0.13 um partially depleted SOI nMOSFETs[J].Microelectronics Reliability，2013，53（2）:259-264.

[10]CHAO Peng，HU Zhi-yuan，ZHANG Zheng-xuan，et al.Total ionizing dose effect in 0.2 lm PDSOI nMOSFETs with shallow trench isolation[J].Microelectronics Reliability，2014，54（4）:730-737.

[11]Garrett J Schlenvogt， Hugh J Barnaby，Jeff Wilkinson，et al.Simulation of TID effects in a high voltage ring oscillator[J].IEEE Transactions on Nuclear Science，2013，60（6）:4547-4554

[12]Steven T Patton，Albert J Frasca，Joseph W，et al.Effect of space radiation on the leakage current ofMEMS insulators [J].IEEE Transactionson Nuclear Science，2013，60（4）:3074-3083.

[13]Eddy Simoen，Marc Gaillardin，Philippe Paillet，et al.Radiation effects in advanced multiple gate and silicon-on-insulator transistors[J].IEEE Transactions on Nuclear Science，2013，60（3）:1970-1991.

[14]ZHENG Qi-wen，YU Xue-feng，CUI Jiang-wei，et al.Degradation of the front and back channels in a deep submicron partially depleted SOI nMOSFETunder off-state stress[J].Journal of Semiconductors，2013，34（7）:074008-1-6.

[15]Ivan S Esqueda，Hugh J Barnaby.A defect-based compact modeling approach for the reliability of CMOS devices and integrated circuits[J].Solid-State Electronics，2014，91:81-86.

I-V model for back-gate total ionizing dose effect in SOI MOSFET

HUANG Jian-qiang1，2，HE Wei-wei1，2，CHEN Jing1，LUO Jie-xin1
（1.The State Key Laboratory of Functional Materials for Informatics，Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology，Chinese Academy of Sciences，Shanghai 200050，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

The problems of SOI CMOS technology based radiation hardened circuit design are long period development and high cost of radiation test.Aiming at these difficulties，this paper proposed a total ionizing dose（TID）model for back-gate transistor by analyzing the TID effect mechanism.The validation of the model shown that the simulation results of back-gate TID model can great agreement with the TID measurement result.The model provides the reliable results to circuit designer，shortening the radiation hardened circuit development cycle.thus，it is very practical.

Silicon-on-Insulator MOSFET；total ionizing dose effect；bBack-gate transistor；I-V Model

TN386.1

：A

：1674－6236（2017）05-0142-04

2016-05-19稿件编号：201605185

国家自然科学基金（61404151；61574153）

黄建强（1989—），男，湖南湘潭人，硕士研究生。研究方向：SOI总剂量辐射效应模型。