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基于环形栅和半环形栅N沟道金属氧化物半导体晶体管的总剂量辐射效应研究

范雪 李威 李平 张斌 谢小东 王刚 胡滨 翟亚红

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基于环形栅和半环形栅N沟道金属氧化物半导体晶体管的总剂量辐射效应研究

范雪, 李威, 李平, 张斌, 谢小东, 王刚, 胡滨, 翟亚红

Total ionizing dose effects on n-channel metal oxide semiconductor transistors with annular-gate and ring-gate layouts

Fan Xue, Li Wei, Li Ping, Zhang Bin, Xie Xiao-Dong, Wang Gang, Hu Bin, Zhai Ya-Hong
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  • 在商用0.35 m互补金属氧化物半导体工艺上制备了两种栅氧化层厚度(tox)的条形栅、环形栅和半环形栅N沟道金属氧化物半导体 (n-channel metal oxide semiconductor, 简记为NMOS) 晶体管, 并进行了2000 Gy(Si)的总剂量辐射效应实验. 实验结果显示, 栅氧厚度对阈值电压漂移的影响大于栅氧厚度的3次方. 对于tox为11 nm的低压NMOS晶体管, 通过环形栅或半环形栅的加固方式能将其抗总剂量辐射能力从300 Gy(Si)提高到2000 Gy(Si)以上; 而对于tox为26 nm的高压NMOS晶体管, 通过环栅或半环栅的加固方式, 则只能在低于1000 Gy(Si)的总剂量下, 一定程度地抑制截止漏电流的增加. 作为两种不同的版图加固方式, 环形栅和半环形栅对同一tox的NMOS器件加固效果类似, 环形栅的加固效果略优于半环形栅. 对于上述实验结果, 进行了理论分析并阐释了产生这些现象的原因.
    Two-edged-gate, annular-gate and ring-gate N-channel metal oxide semiconductor (NMOS) transistors with two different values of gate oxide thickness (tox) are fabricated in a commercial 0.35 m complementary metal oxide semiconductor (CMOS) process. The tests for the total ionizing dose (TID) effects of the transistors are carried out with a total dose up to 2000 Gy(Si). The results show that the dependence of radiation-induced threshold voltage shift on tox is larger than the power-law tox3. The TID tolerance of the low voltage NMOS (tox=11 nm) is improved from 300 Gy(Si) to over 2000 Gy(Si) by the annular-gate or ring-gate layout. For the high voltage NMOS (tox=26 nm), the annular-gate or ring-gate layout can only mitigate the growth of the off-state leakage current when the total dose is less than 1000 Gy(Si). As radiation hardening techniques, the annular-gate and ring-gate layouts have similar effects, but the annular-gate layout is slightly more effective in terms of the radiation-induced threshold voltage shift and off-state leakage current increase. The test results are theoretically explained by examining and analyzing the experimental data.
    [1]

    Chen P X 2005 Radiation Effects on Semiconductor Devices and Integrated Circuits (Beijing: National Defense Industry Press) p28 (in Chinese) [陈盘训 2005 半导体器件和集成电路的辐射效应 (北京: 国防工业出版社) 第28页]

    [2]

    Hughes H L, Benedetto J M 2003 IEEE Trans. Nucl. Sci. 50 500

    [3]

    Zhao L, Yang X H 2010 Electron. Pack. 10 31 (in Chinese) [赵力, 杨晓花 2010 电子与封装 10 31]

    [4]

    Feng Y J, Hua G X, Liu S F 2007 J. Astron. 28 1071 (in Chinese) [冯彦君, 华更新, 刘淑芬 2007 宇航学报 10 1071]

    [5]

    Dodd P E, Shaneyfelt M R, Schwank J R, Felix J A 2010 IEEE Trans. Nucl. Sci. 57 1747

    [6]

    Faccio F, Cervelli G 2005 IEEE Trans. Nucl. Sci. 52 2413

    [7]

    Lacoe R C 2008 IEEE Trans. Nucl. Sci. 55 1903

    [8]

    Lacoe R C, Osborn J V, Koga R, Brown S, Mayer D C 2000 IEEE Trans. Nucl. Sci. 55 1903

    [9]

    Chen L, Gingrich D M 2005 IEEE Trans. Nucl. Sci. 52 861

    [10]

    Luo Y H, Guo H X, Zhang F Q, Yao Z B, He B P, Yue S G 2010 Res. Prog. Study Solid Electron. 30 37 (in Chinese) [罗尹虹, 郭红霞, 张凤祁, 姚志斌, 何宝平, 岳素格 2010 固体电子学研究与进展 30 37]

    [11]

    Lacoe R C, Osborn J V, Mayer D C, Brown S, Hunt D R 1998 IEEE Radiation Effects Data Workshop Record Newport Beach, July 24, 1998 p104

    [12]

    Lacoe R C, Osborn J V, Mayer D C, Brown S, Hunt D R 2001 IEEE Radiation Effects Data Workshop Record Vancouver, July 16–20, 2001 p72

    [13]

    He B P, Chen W, Wang G Z 2006 Acta Phys. Sin. 55 3546 (in Chinese) [何宝平, 陈伟, 王桂珍 2006 物理学报 55 3546]

    [14]

    Nowlin R N, McEndree S R, Wilson A L, Alexander D R 2005 IEEE Trans. Nucl. Sci. 52 2495

    [15]

    Lai Z W, Bao Z M, Song T Q, Wang C H, Huang S M 1998 Radiation Hardening Electronics (Beijing: National Defense Industry Press) p73 (in Chinese) [赖祖武, 包宗明, 宋铁歧, 王长河, 黄胜明 1998 抗辐射电子学 (北京: 国防工业出版社) 第73页]

    [16]

    Gu W P, Zhang J C, Wang C, Feng Q, Ma X H, Hao Y 2009 Acta Phys. Sin. 58 1161 (in Chinese) [谷文萍, 张进城, 王冲, 冯倩, 马晓华, 郝跃 2009 物理学报 58 1161]

    [17]

    Lacoe R C, Osborn J V, Mayer D C, Brown S 2001 6th European Conference on Radiation and Its Effects on Compenents and Systems September 10–14, 2001 p464

  • [1]

    Chen P X 2005 Radiation Effects on Semiconductor Devices and Integrated Circuits (Beijing: National Defense Industry Press) p28 (in Chinese) [陈盘训 2005 半导体器件和集成电路的辐射效应 (北京: 国防工业出版社) 第28页]

    [2]

    Hughes H L, Benedetto J M 2003 IEEE Trans. Nucl. Sci. 50 500

    [3]

    Zhao L, Yang X H 2010 Electron. Pack. 10 31 (in Chinese) [赵力, 杨晓花 2010 电子与封装 10 31]

    [4]

    Feng Y J, Hua G X, Liu S F 2007 J. Astron. 28 1071 (in Chinese) [冯彦君, 华更新, 刘淑芬 2007 宇航学报 10 1071]

    [5]

    Dodd P E, Shaneyfelt M R, Schwank J R, Felix J A 2010 IEEE Trans. Nucl. Sci. 57 1747

    [6]

    Faccio F, Cervelli G 2005 IEEE Trans. Nucl. Sci. 52 2413

    [7]

    Lacoe R C 2008 IEEE Trans. Nucl. Sci. 55 1903

    [8]

    Lacoe R C, Osborn J V, Koga R, Brown S, Mayer D C 2000 IEEE Trans. Nucl. Sci. 55 1903

    [9]

    Chen L, Gingrich D M 2005 IEEE Trans. Nucl. Sci. 52 861

    [10]

    Luo Y H, Guo H X, Zhang F Q, Yao Z B, He B P, Yue S G 2010 Res. Prog. Study Solid Electron. 30 37 (in Chinese) [罗尹虹, 郭红霞, 张凤祁, 姚志斌, 何宝平, 岳素格 2010 固体电子学研究与进展 30 37]

    [11]

    Lacoe R C, Osborn J V, Mayer D C, Brown S, Hunt D R 1998 IEEE Radiation Effects Data Workshop Record Newport Beach, July 24, 1998 p104

    [12]

    Lacoe R C, Osborn J V, Mayer D C, Brown S, Hunt D R 2001 IEEE Radiation Effects Data Workshop Record Vancouver, July 16–20, 2001 p72

    [13]

    He B P, Chen W, Wang G Z 2006 Acta Phys. Sin. 55 3546 (in Chinese) [何宝平, 陈伟, 王桂珍 2006 物理学报 55 3546]

    [14]

    Nowlin R N, McEndree S R, Wilson A L, Alexander D R 2005 IEEE Trans. Nucl. Sci. 52 2495

    [15]

    Lai Z W, Bao Z M, Song T Q, Wang C H, Huang S M 1998 Radiation Hardening Electronics (Beijing: National Defense Industry Press) p73 (in Chinese) [赖祖武, 包宗明, 宋铁歧, 王长河, 黄胜明 1998 抗辐射电子学 (北京: 国防工业出版社) 第73页]

    [16]

    Gu W P, Zhang J C, Wang C, Feng Q, Ma X H, Hao Y 2009 Acta Phys. Sin. 58 1161 (in Chinese) [谷文萍, 张进城, 王冲, 冯倩, 马晓华, 郝跃 2009 物理学报 58 1161]

    [17]

    Lacoe R C, Osborn J V, Mayer D C, Brown S 2001 6th European Conference on Radiation and Its Effects on Compenents and Systems September 10–14, 2001 p464

  • [1] 张林, 马林东, 杜林, 李艳波, 徐先峰, 黄鑫蓉. 不同栅压下Si-n型金属氧化物半导体场效应管总剂量效应的瞬态特性仿真. 物理学报, 2023, 72(13): 138501. doi: 10.7498/aps.72.20230207
    [2] 顾朝桥, 郭红霞, 潘霄宇, 雷志峰, 张凤祁, 张鸿, 琚安安, 柳奕天. 不同应力下碳化硅场效应晶体管器件总剂量效应及退火特性. 物理学报, 2021, 70(16): 166101. doi: 10.7498/aps.70.20210515
    [3] 董世剑, 郭红霞, 马武英, 吕玲, 潘霄宇, 雷志锋, 岳少忠, 郝蕊静, 琚安安, 钟向丽, 欧阳晓平. AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管器件电离辐照损伤机理及偏置相关性研究. 物理学报, 2020, 69(7): 078501. doi: 10.7498/aps.69.20191557
    [4] 周悦, 胡志远, 毕大炜, 武爱民. 硅基光电子器件的辐射效应研究进展. 物理学报, 2019, 68(20): 204206. doi: 10.7498/aps.68.20190543
    [5] 郝敏如, 胡辉勇, 廖晨光, 王斌, 赵小红, 康海燕, 苏汉, 张鹤鸣. 射线总剂量辐照对单轴应变Si纳米n型金属氧化物半导体场效应晶体管栅隧穿电流的影响. 物理学报, 2017, 66(7): 076101. doi: 10.7498/aps.66.076101
    [6] 姜柯, 陆妩, 胡天乐, 王信, 郭旗, 何承发, 刘默涵, 李小龙. 电子辐射环境中NPN输入双极运算放大器的辐射效应和退火特性. 物理学报, 2015, 64(13): 136103. doi: 10.7498/aps.64.136103
    [7] 吴传禄, 马颖, 蒋丽梅, 周益春, 李建成. 电离辐射环境下金属-铁电-绝缘体-基底结构铁电场效应晶体管电学性能的模拟. 物理学报, 2014, 63(21): 216102. doi: 10.7498/aps.63.216102
    [8] 张兴尧, 郭旗, 陆妩, 张孝富, 郑齐文, 崔江维, 李豫东, 周东. 串口型铁电存储器总剂量辐射损伤效应和退火特性. 物理学报, 2013, 62(15): 156107. doi: 10.7498/aps.62.156107
    [9] 卓青青, 刘红侠, 王志. 三维H形栅SOINMOS器件总剂量条件下的单粒子效应. 物理学报, 2013, 62(17): 176106. doi: 10.7498/aps.62.176106
    [10] 彭里, 卓青青, 刘红侠, 蔡惠民. 栅长对PD SOI NMOS器件总剂量辐照效应影响的实验研究. 物理学报, 2012, 61(24): 240703. doi: 10.7498/aps.61.240703
    [11] 高博, 刘刚, 王立新, 韩郑生, 张彦飞, 王春林, 温景超. 国产星用VDMOS器件总剂量辐射损伤效应研究. 物理学报, 2012, 61(17): 176107. doi: 10.7498/aps.61.176107
    [12] 翟亚红, 李平, 张国俊, 罗玉香, 范雪, 胡滨, 李俊宏, 张健, 束平. 抗辐射双极n-p-n晶体管的研究. 物理学报, 2011, 60(8): 088501. doi: 10.7498/aps.60.088501
    [13] 何宝平, 丁李利, 姚志斌, 肖志刚, 黄绍燕, 王祖军. 超深亚微米器件总剂量辐射效应三维数值模拟. 物理学报, 2011, 60(5): 056105. doi: 10.7498/aps.60.056105
    [14] 何宝平, 姚志斌. 互补金属氧化物半导体器件空间低剂量率辐射效应预估模型研究. 物理学报, 2010, 59(3): 1985-1990. doi: 10.7498/aps.59.1985
    [15] 全荣辉, 韩建伟, 黄建国, 张振龙. 电介质材料辐射感应电导率的模型研究. 物理学报, 2007, 56(11): 6642-6647. doi: 10.7498/aps.56.6642
    [16] 何宝平, 郭红霞, 龚建成, 王桂珍, 罗尹虹, 李永宏. 浮栅ROM集成电路空间低剂量率辐射失效时间预估. 物理学报, 2004, 53(9): 3125-3129. doi: 10.7498/aps.53.3125
    [17] 贺朝会, 耿 斌, 杨海亮, 陈晓华, 李国政, 王燕萍. 浮栅ROM器件辐射效应机理分析. 物理学报, 2003, 52(9): 2235-2238. doi: 10.7498/aps.52.2235
    [18] 贺朝会, 耿斌, 杨海亮, 陈晓华, 王燕萍, 李国政. 浮栅ROM器件的辐射效应实验研究. 物理学报, 2003, 52(1): 180-187. doi: 10.7498/aps.52.180
    [19] 郭红霞, 陈雨生, 张义门, 韩福斌, 贺朝会, 周辉. 浮栅ROM器件x射线剂量增强效应实验研究. 物理学报, 2002, 51(10): 2315-2319. doi: 10.7498/aps.51.2315
    [20] 王剑屏, 徐娜军, 张廷庆, 汤华莲, 刘家璐, 刘传洋, 姚育娟, 彭宏论, 何宝平, 张正选. 金属-氧化物-半导体器件γ辐照温度效应. 物理学报, 2000, 49(7): 1331-1334. doi: 10.7498/aps.49.1331
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出版历程
  • 收稿日期:  2011-03-30
  • 修回日期:  2011-04-16
  • 刊出日期:  2012-01-05

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