部分耗尽绝缘层附着硅静态随机存储器总剂量辐射损伤效应的研究

李明; 余学峰; 薛耀国; 卢健; 崔江维; 高博

doi:10.7498/aps.61.106103

摘要

通过分析部分耗尽绝缘层附着硅互补金属氧化物半导体静态随机存储器(SRAM)在动态偏置条件下的电学参数和功能参数随累积剂量的变化规律, 研究了绝缘层附着硅(SOI)工艺SRAM器件在60Co-γ射线辐照后的总剂量辐射损伤效应及器件敏感参数与功能错误数之间的相关性,为进一步深入研究大规模SOI集成电路的抗总剂量辐射加固及其辐射损伤评估提供了可能的途径和方法.实验结果表明:辐射引起的场氧和埋氧漏电是功耗电流增大的主要原因; 阈值电压漂移造成输出高电平下降、低电平微小上升和峰-峰值大幅降低,以及传输延迟增大; 当总剂量累积到一定程度,逻辑功能因关断功能的失效而出现突变错误; 传输延迟和输出高电平与逻辑功能错误之间存在一定相关性.

关键词:

Abstract

In this paper, the changes of electrical parameters and their functional errors with the total radiation dose are studied, when the PDSOI static random access memory (SRAM) is irradiated under different total doses. After the SOI SRAM is irradiated by the 60Co-γ ray, the total dose radiation damage mechanism and the correlation between the changes of device parameters and function errors are discussed. For the large-scale SOI integrated circuits, this provides a possible method to further study the total dose radiation hardening and the radiation damage assessment of the devices. It is indicated that the increase of current consumption is due mainly to the radiation-induced leakage current from both field oxygen and buried oxide. The drift of threshold voltage creates the decline in output high level, the slight increase in output low level, the significant reduction in peak-peak value, and the increase of transmission delay. When the total dose accumulates and reaches a certain amount of dose, the logic mutation error emerges, resulting in the failure of shutdown function. There is a certain correlation between the transmission delay, the output high and the logic error.

Keywords:

partial-depletion-silicon-on insulator /
static random access memory /
total-dose effects /
power supply current

作者及机构信息

1.
中国科学院新疆理化技术研究所, 乌鲁木齐 830011;

2.
新疆电子信息材料与器件重点实验室, 乌鲁木齐 830011;

3.
中国科学院研究生院, 北京 100049

Authors and contacts

1.
Xinjiang Technical Institute of Physics and Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Urumqi 830011, China;

2.
Xinjiang Key Laboratory of Electronic Information Materials and Devices, Urumqi 830011, China;

3.
Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

参考文献

[1]	Liu X Y, Liu Y L, Sun H F, Wu D X, He Z J, Liu Z L 2002 Chin. J. Semiconductors 23 213 (in Chinese) [刘新宇, 刘运龙, 孙海锋, 吴德馨, 和致经, 刘忠立 2002 半导体学报 23 213]
[2]	Liu S T, Golke K W, Anthony D 2003 IEEE Trans. Nucl. Sci. 50 2095
[3]	Liu H Y, Liu M S, Hughes H L 2006 IEEE Trans. Nucl. Sci. 53 3502
[4]	Baggio J, Ferlet-cavrois V, Lambert D, Paillet P, Wrobel F, Hirose K, Saito H, Blckmore E W 2005 IEEE Trans. Nucl. Sci. 52 2319
[5]	Han Z S 2007 China Electronics News C01 (in Chinese) [韩郑生 2007 中国电子报 C01]
[6]	Liu S T, Heikkila W W, Golke K W, Anthony D, Hurst A, Kirchner G, Jenkins W C, Hughes H L, Mitra S, Ioannou D E 2003 IEEE Trans. Nucl .Sci. 50 2095
[7]	Brady F T, Brown R, Rockett L, Vasquez J 1998 IEEE Trans. Nucl. Sci. 45 2436
[8]	Fecher P S, Dougal G D, Sullwold J G 1997 IEEE Trans. Nucl. Sci. 44 172
[9]	Guo T L, Zhao F Z, Liu G, Li D L, Li J, Zhao L X, Zhou X Y, Hai C H, Han Z S 2007 Chin. J. Semiconductors 28 1184 (in Chinese) [郭天雷, 赵发展, 刘刚, 李多力, 李静, 赵立新, 周小茵, 海潮和, 韩郑生 2007 半导体学报 28 1184]
[10]	Zhao K, Liu Z L, Yu F, Gao J T, Xiao Z Q, Hong G S 2007 Chin. J. Semiconductors 28 1139 (in Chinese) [赵凯, 刘忠立, 于芳, 高见头, 肖志强, 洪根深 2007 半导体学报 28 1139]
[11]	Guo T L, Han Z S, Hai C H, Zhou X Y, Li D L, Zhao L X 2007 Chin. J. Electron Dev. 30 794 (in Chinese) [郭天雷, 韩郑生, 海潮和, 周小茵, 李多力, 赵立新 2007 电子器件 30 794]
[12]	Li M, Yu X F, Lu J, Gao B, Cui J W, Zhou D, Xu F Y, Xi S B, Wang F 2011 Nucl. Tech. 34 452 (in Chinese) [李明, 余学峰, 卢健, 高博, 崔江维, 周东, 许发月, 席善斌, 王飞 2011 核技术 34 452]
[13]	Gao B, Yu X F, Ren D Y, Li Y D, Cui J W, Li M S, Li M, Wang Y Y 2011 Acta Phys. Sin. 60 036106 (in Chinese) [高博, 余学峰, 任迪远, 李豫东, 崔江维, 李茂顺, 李明, 王义元 2011 物理学报 60 036106]

施引文献

[1]	Liu X Y, Liu Y L, Sun H F, Wu D X, He Z J, Liu Z L 2002 Chin. J. Semiconductors 23 213 (in Chinese) [刘新宇, 刘运龙, 孙海锋, 吴德馨, 和致经, 刘忠立 2002 半导体学报 23 213]
[2]	Liu S T, Golke K W, Anthony D 2003 IEEE Trans. Nucl. Sci. 50 2095
[3]	Liu H Y, Liu M S, Hughes H L 2006 IEEE Trans. Nucl. Sci. 53 3502
[4]	Baggio J, Ferlet-cavrois V, Lambert D, Paillet P, Wrobel F, Hirose K, Saito H, Blckmore E W 2005 IEEE Trans. Nucl. Sci. 52 2319
[5]	Han Z S 2007 China Electronics News C01 (in Chinese) [韩郑生 2007 中国电子报 C01]
[6]	Liu S T, Heikkila W W, Golke K W, Anthony D, Hurst A, Kirchner G, Jenkins W C, Hughes H L, Mitra S, Ioannou D E 2003 IEEE Trans. Nucl .Sci. 50 2095
[7]	Brady F T, Brown R, Rockett L, Vasquez J 1998 IEEE Trans. Nucl. Sci. 45 2436
[8]	Fecher P S, Dougal G D, Sullwold J G 1997 IEEE Trans. Nucl. Sci. 44 172
[9]	Guo T L, Zhao F Z, Liu G, Li D L, Li J, Zhao L X, Zhou X Y, Hai C H, Han Z S 2007 Chin. J. Semiconductors 28 1184 (in Chinese) [郭天雷, 赵发展, 刘刚, 李多力, 李静, 赵立新, 周小茵, 海潮和, 韩郑生 2007 半导体学报 28 1184]
[10]	Zhao K, Liu Z L, Yu F, Gao J T, Xiao Z Q, Hong G S 2007 Chin. J. Semiconductors 28 1139 (in Chinese) [赵凯, 刘忠立, 于芳, 高见头, 肖志强, 洪根深 2007 半导体学报 28 1139]
[11]	Guo T L, Han Z S, Hai C H, Zhou X Y, Li D L, Zhao L X 2007 Chin. J. Electron Dev. 30 794 (in Chinese) [郭天雷, 韩郑生, 海潮和, 周小茵, 李多力, 赵立新 2007 电子器件 30 794]
[12]	Li M, Yu X F, Lu J, Gao B, Cui J W, Zhou D, Xu F Y, Xi S B, Wang F 2011 Nucl. Tech. 34 452 (in Chinese) [李明, 余学峰, 卢健, 高博, 崔江维, 周东, 许发月, 席善斌, 王飞 2011 核技术 34 452]
[13]	Gao B, Yu X F, Ren D Y, Li Y D, Cui J W, Li M S, Li M, Wang Y Y 2011 Acta Phys. Sin. 60 036106 (in Chinese) [高博, 余学峰, 任迪远, 李豫东, 崔江维, 李茂顺, 李明, 王义元 2011 物理学报 60 036106]

[1]	朱文璐, 郭红霞, 李洋帆, 马武英, 张凤祁, 白如雪, 钟向丽, 李济芳, 曹彦辉, 琚安安. 双沟槽SiC MOSFET总剂量效应. 物理学报, 2025, 74(5): 056101. doi: 10.7498/aps.74.20241641
[2]	彭治钢, 白豪杰, 刘方, 李洋, 何欢, 李培, 贺朝会, 李永宏. 质子累积辐照效应对CMOS图像传感器饱和输出的影响. 物理学报, 2025, 74(2): 024203. doi: 10.7498/aps.74.20241352
[3]	李济芳, 郭红霞, 马武英, 宋宏甲, 钟向丽, 李洋帆, 白如雪, 卢小杰, 张凤祁. 石墨烯场效应晶体管的X射线总剂量效应. 物理学报, 2024, 73(5): 058501. doi: 10.7498/aps.73.20231829
[4]	张书豪, 袁章亦安, 乔明, 张波. 超薄屏蔽层300 V SOI LDMOS抗电离辐射总剂量仿真研究. 物理学报, 2022, 71(10): 107301. doi: 10.7498/aps.71.20220041
[5]	张晋新, 王信, 郭红霞, 冯娟, 吕玲, 李培, 闫允一, 吴宪祥, 王辉. 三维数值仿真研究锗硅异质结双极晶体管总剂量效应. 物理学报, 2022, 71(5): 058502. doi: 10.7498/aps.71.20211795
[6]	陈睿, 梁亚楠, 韩建伟, 王璇, 杨涵, 陈钱, 袁润杰, 马英起, 上官士鹏. 氮化镓基高电子迁移率晶体管单粒子和总剂量效应的实验研究. 物理学报, 2021, 70(11): 116102. doi: 10.7498/aps.70.20202028
[7]	李顺, 宋宇, 周航, 代刚, 张健. 双极型晶体管总剂量效应的统计特性. 物理学报, 2021, 70(13): 136102. doi: 10.7498/aps.70.20201835
[8]	王硕, 常永伟, 陈静, 王本艳, 何伟伟, 葛浩. 新型绝缘体上硅静态随机存储器单元总剂量效应. 物理学报, 2019, 68(16): 168501. doi: 10.7498/aps.68.20190405
[9]	彭超, 恩云飞, 李斌, 雷志锋, 张战刚, 何玉娟, 黄云. 绝缘体上硅金属氧化物半导体场效应晶体管中辐射导致的寄生效应研究. 物理学报, 2018, 67(21): 216102. doi: 10.7498/aps.67.20181372
[10]	秦丽, 郭红霞, 张凤祁, 盛江坤, 欧阳晓平, 钟向丽, 丁李利, 罗尹虹, 张阳, 琚安安. 铁电存储器60Co γ射线及电子总剂量效应研究. 物理学报, 2018, 67(16): 166101. doi: 10.7498/aps.67.20180829
[11]	郑齐文, 崔江维, 王汉宁, 周航, 余徳昭, 魏莹, 苏丹丹. 超深亚微米互补金属氧化物半导体器件的剂量率效应. 物理学报, 2016, 65(7): 076102. doi: 10.7498/aps.65.076102
[12]	周航, 崔江维, 郑齐文, 郭旗, 任迪远, 余学峰. 电离辐射环境下的部分耗尽绝缘体上硅n型金属氧化物半导体场效应晶体管可靠性研究. 物理学报, 2015, 64(8): 086101. doi: 10.7498/aps.64.086101
[13]	肖尧, 郭红霞, 张凤祁, 赵雯, 王燕萍, 丁李利, 范雪, 罗尹虹, 张科营. 累积剂量影响静态随机存储器单粒子效应敏感性研究. 物理学报, 2014, 63(1): 018501. doi: 10.7498/aps.63.018501
[14]	丛忠超, 余学峰, 崔江维, 郑齐文, 郭旗, 孙静, 汪波, 马武英, 玛丽娅, 周航. 静态随机存储器总剂量辐射损伤的在线与离线测试方法. 物理学报, 2014, 63(8): 086101. doi: 10.7498/aps.63.086101
[15]	丁李利, 郭红霞, 陈伟, 闫逸华, 肖尧, 范如玉. 累积辐照影响静态随机存储器单粒子翻转敏感性的仿真研究. 物理学报, 2013, 62(18): 188502. doi: 10.7498/aps.62.188502
[16]	卓青青, 刘红侠, 彭里, 杨兆年, 蔡惠民. 总剂量辐照条件下部分耗尽半导体氧化物绝缘层N沟道金属氧化物半导体器件的三种kink效应. 物理学报, 2013, 62(3): 036105. doi: 10.7498/aps.62.036105
[17]	郑齐文, 余学峰, 崔江维, 郭旗, 任迪远, 丛忠超. 总剂量辐射环境中的静态随机存储器功能失效模式研究. 物理学报, 2013, 62(11): 116101. doi: 10.7498/aps.62.116101
[18]	周昕杰, 李蕾蕾, 周毅, 罗静, 于宗光. 辐照下背栅偏置对部分耗尽型绝缘层上硅器件背栅效应影响及机理分析. 物理学报, 2012, 61(20): 206102. doi: 10.7498/aps.61.206102
[19]	王义元, 陆妩, 任迪远, 郭旗, 余学峰, 何承发, 高博. 双极线性稳压器电离辐射剂量率效应及其损伤分析. 物理学报, 2011, 60(9): 096104. doi: 10.7498/aps.60.096104
[20]	贺朝会, 耿斌, 何宝平, 姚育娟, 李永宏, 彭宏论, 林东生, 周辉, 陈雨生. 大规模集成电路总剂量效应测试方法初探. 物理学报, 2004, 53(1): 194-199. doi: 10.7498/aps.53.194

计量

文章访问数: 7877
PDF下载量: 567
被引次数: 0

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

搜索

留言板