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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.
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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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