SOI MOSFET背柵總劑量輻射效應(yīng)電流模型

黃建強(qiáng)，何偉偉，陳 靜，羅杰馨

（1.中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所 信息功能材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200050；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京100049）

SOI MOSFET背柵總劑量輻射效應(yīng)電流模型

黃建強(qiáng)1，2，何偉偉1，2，陳 靜1，羅杰馨1

（1.中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所 信息功能材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200050；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京100049）

基于SOI CMOS技術(shù)的抗輻射電路設(shè)計(jì)存在開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、測(cè)試費(fèi)用昂貴的問(wèn)題。針對(duì)這一難點(diǎn)，本文通過(guò)對(duì)總劑量輻射效應(yīng)機(jī)理的分析，提出了一種背柵總劑量效應(yīng)電流模型。模型驗(yàn)證結(jié)果表明，該背柵總劑量模型仿真結(jié)果能高度吻合測(cè)試結(jié)果，模型能夠給電路設(shè)計(jì)者提供可靠的仿真結(jié)果，縮短抗輻射電路開(kāi)發(fā)周期，具有實(shí)用意義。

SOI MOSFET；總劑量效應(yīng)；背柵晶體管；電流模型

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，大量的航天電子器件被運(yùn)用到空間環(huán)境中。由于沒(méi)有大氣的保護(hù)，電子器件在太空中極易受到宇宙射線的影響，產(chǎn)生諸如單粒子效應(yīng)、瞬態(tài)輻射效應(yīng)、總劑量效應(yīng)等輻射相關(guān)的效應(yīng)[1]。這些輻射效應(yīng)對(duì)電子器件會(huì)產(chǎn)生不同程度與不同類(lèi)型的影響，并影響到整個(gè)電路的工作狀態(tài)。從而，電子器件進(jìn)行抗輻射加固設(shè)計(jì)成為了日益重要的課題。

絕緣體上硅（Silicon-on-Insulator，SOI）技術(shù)是一種被廣泛應(yīng)用于抗輻射加固設(shè)計(jì)的技術(shù)。該技術(shù)相對(duì)于體硅技術(shù)而言，最大的改進(jìn)在于增加了埋氧層，將體硅中的體區(qū)與襯底隔離開(kāi)，形成介質(zhì)隔離，從而杜絕閂鎖效應(yīng)和總劑量輻射效應(yīng)引發(fā)的器件間漏電[2]。由于SOI襯底-埋氧層-頂層硅三部分形成了新的MOS結(jié)構(gòu)，通常也稱為背柵晶體管。這種埋氧層的存在使得基于SOI技術(shù)的晶體管在抗單粒子、瞬態(tài)輻射等效應(yīng)時(shí)有著天然的優(yōu)勢(shì)[3]。然而，埋氧層的存在也增加了總劑量輻射效應(yīng)的敏感區(qū)域，使得SOI的總劑量效應(yīng)變得更嚴(yán)重[4]。通過(guò)電路設(shè)計(jì)驗(yàn)證加固效果時(shí)需要反復(fù)對(duì)電路進(jìn)行輻射實(shí)驗(yàn)，大大增加了抗輻射電路開(kāi)發(fā)的成本，開(kāi)發(fā)周期十分漫長(zhǎng)。針對(duì)總劑量效應(yīng)建立可用于電路仿真的SPICE模型，是一種較為迅速的加固設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)方法。已有的研究主要針對(duì)SOI器件的前柵柵氧與隔離場(chǎng)氧建立總劑量模型[5-8]，缺少針對(duì)埋氧層進(jìn)行的建模。文中將重點(diǎn)分析SOI器件埋氧層的總劑量效應(yīng)，并建立背柵SPICE模型，最后通過(guò)對(duì)比仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果來(lái)驗(yàn)證該模型的準(zhǔn)確性。

1 MOS結(jié)構(gòu)總劑量閾值電壓模型

1.1 總劑量輻射效應(yīng)機(jī)理

金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代集成電路工藝中最基本的結(jié)構(gòu)，除去MOSFET中主晶體管MOS結(jié)構(gòu)，SOI器件中還存在著大量的MOS寄生結(jié)構(gòu)，比如柵-場(chǎng)氧-硅；襯底-埋氧-硅等等。這些結(jié)構(gòu)在一定的條件也具備MOSFET一樣的電學(xué)特性，只是閾值電壓與載流子遷移率等關(guān)鍵參數(shù)不同。

空間環(huán)境中的高能射線在穿過(guò)MOS的氧化層時(shí)，會(huì)電離產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，如圖1所示，一部分電子-空穴對(duì)在電場(chǎng)的作用下會(huì)分離，朝向不同的方向運(yùn)動(dòng)；另一部分則在很短的時(shí)間內(nèi)重新復(fù)合[9]。這個(gè)分離的比例定義為電荷產(chǎn)率f（E），其中E表示MOS中電場(chǎng)的大小。

圖1 輻射產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)

未復(fù)合的電子與空穴在氧化層中的運(yùn)動(dòng)如圖2所示。電子被電場(chǎng)直接“掃”到正極，空穴則由于運(yùn)動(dòng)速度較慢，在電場(chǎng)的推動(dòng)下緩慢向SiO2-Si的界面運(yùn)動(dòng)。空穴的運(yùn)動(dòng)會(huì)依靠氧化物中的空位來(lái)“跳動(dòng)”，這一過(guò)程會(huì)釋放出部分氫離子，該氫離子也會(huì)在電場(chǎng)的作用下向SiO2-Si的界面運(yùn)動(dòng)[10-11]。

圖2 MOS結(jié)構(gòu)受總劑量效應(yīng)產(chǎn)生的電荷分布

1.2 總劑量閾值電壓偏移模型

空穴與氫離子的不同在于，空穴只運(yùn)動(dòng)到界面附近便形成氧化物陷阱，而氫離子會(huì)運(yùn)動(dòng)到界面上，形成界面陷阱[12]。氧化物陷阱會(huì)使得MOSFET的閾值電壓負(fù)偏，界面陷阱則針對(duì)MOSFET的類(lèi)型不同而產(chǎn)生不同的閾值電壓偏移：NMOS閾值電壓正向偏移；PMOS閾值電壓負(fù)向偏移[13]。綜合兩種陷阱電荷對(duì)閾值電壓的影響，可以建立閾值電壓的偏移模型：

其中 Qhole是沒(méi)有被復(fù)合的空穴數(shù)目，Qhydrogen是空穴在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中釋放的氫離子，Cox是柵氧電容。

輻射產(chǎn)生空穴對(duì)數(shù)目可以表示為

其中q為電荷常量，ke為劑量增強(qiáng)因子，D為總劑量，g0為SiO2中單位劑量產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)數(shù)目，是一個(gè)常量；tox表示柵氧化層厚度。

由于Qhydrogen數(shù)目不會(huì)超過(guò)，因此，式（1）也可以表示為：

其中εox表示SiO2的介電系數(shù)。

有研究表明，器件受到總劑量輻照之后，閾值電壓會(huì)以近似線性的關(guān)系隨劑量增加而變化。當(dāng)劑量達(dá)到一定程度之后，閾值電壓將達(dá)到飽和，不會(huì)繼續(xù)負(fù)向偏移[14]。這是由于氧化層內(nèi)的陷阱電荷達(dá)到飽和的原因。由此，我們可以將式（3）中關(guān)于電荷與劑量的部分用指數(shù)關(guān)系表示為：

其中k1是一個(gè)綜合系數(shù)；τ表示電荷的分布系數(shù)。最終得到MOS受到總劑量影響造成的閾值電壓偏移模型為：

2 SOI背柵晶體管總劑量電流模型

SOI中襯底-埋氧-硅構(gòu)成一個(gè)與主晶體管位置相反的背柵晶體管，如圖3所示。背柵晶體管的柵氧層即埋氧層。在0.13 μm SOI CMOS工藝條件下，埋氧層通常厚達(dá)一百多納米，而主晶體管的柵氧層只有幾納米厚。所以，背柵晶體管的電學(xué)特性與主晶體管有很大不同，閾值電壓遠(yuǎn)大于主晶體管的閾值電壓。

通過(guò)將式（5）中 tox改為埋氧層厚度可以看到，背柵晶體管受到總劑量影響的敏感程度遠(yuǎn)大于前柵晶體管。然而，背柵實(shí)際產(chǎn)生的總劑量效應(yīng)與埋氧層中電場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，不單純依賴于埋氧層的厚度。如圖4、圖5所示為器件內(nèi)部電勢(shì)仿真的結(jié)果，兩條實(shí)線之間的部分為埋氧層，其下方為襯底，上方為硅。從兩圖中可以看到，不同的偏置電壓下，埋氧層中的電場(chǎng)的分布也不同。這就造成了器件在輻照環(huán)境中產(chǎn)生的空穴分布不均勻。

圖3 背柵晶體管漏電通道

圖4 OFF偏置時(shí)埋氧層中產(chǎn)生的電場(chǎng)大小 （使用PISCASII仿真得到）

圖5 ON偏置時(shí)埋氧層中產(chǎn)生的電場(chǎng)大小

圖6 背柵晶體管等效受控電流源

如圖6所示，空穴的分布傾向于漏、源其中一側(cè)。背柵晶體管的導(dǎo)通取決于空穴積累最少的部分，即圖6中靠近源區(qū)的部分。因此，可以將背柵晶體管等效為一個(gè)溝道長(zhǎng)度較小，溝道寬度等于主晶體管的寄生晶體管。由于背柵晶體管的電流只是以漏電流的形式疊加到主晶體管上，所以，背柵晶體管可以簡(jiǎn)化為一個(gè)受總劑量影響的受控電流源[15]。其電流大小表示為：

其中μbg表示載流子遷移率；Cox，bg表示埋氧層片電容大小；W表示溝道寬度；Lbg表示背柵晶體管的等效溝道長(zhǎng)度；Abulk表示體電荷因子；vt為熱電壓。Vgsteff，bg與 Vdseff，bg分別表示有效過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓與有效漏電壓，兩者可以從工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)模型BSIM3.3模型的計(jì)算公式直接得到計(jì)算結(jié)果。Vgsteff，bg集中反映了式（5）中閾值電壓的偏移情況。

圖7 背柵模型子電路

簡(jiǎn)化后的背柵總劑量模型可以并聯(lián)到主晶體管上，構(gòu)成如圖 7所示的子電路。該子電路可用Verilog-A實(shí)現(xiàn)如下：

該Verilog-A實(shí)現(xiàn)的模型可以直接在SPICE電路網(wǎng)表中進(jìn)行調(diào)用，仿真電路受到總劑量效應(yīng)影響而產(chǎn)生的背柵特性退化程度。

3 模型仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證背柵總劑量模型，我們?cè)O(shè)計(jì)了總劑量輻照測(cè)試實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果來(lái)判斷該模型的準(zhǔn)確性。總劑量測(cè)試采用0.13 μm SOI CMOS工藝，使用有體接觸的NMOS Core器件，寬長(zhǎng)比W/L=10 μm/0.13 μm；輻射采用中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所的60Co輻射源，劑量率為125 rad（Si）/s；總劑量數(shù)據(jù)采集點(diǎn)分別為：100 krad（Si）、400 krad（Si）、700 krad（Si）、1 000 krad（Si）；輻照器件采用OFF偏置，具體條件為：Vg=Vs=Vb=Vbg=GND，Vd=1.2 V；每個(gè)劑量點(diǎn)輻照結(jié)束后，使用Keithely 4200-SCS半導(dǎo)體參數(shù)分析儀采集背柵晶體管的轉(zhuǎn)移特性，數(shù)據(jù)采集過(guò)程控制在30分鐘以內(nèi)，以防止器件退火對(duì)特性測(cè)試造成干擾。

如圖8所示，點(diǎn)表示總劑量測(cè)試結(jié)果，實(shí)線表示調(diào)用HSPICE仿真得到的結(jié)果。除去精度范圍以外的數(shù)據(jù)，從對(duì)比結(jié)果可以看出，仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果高度吻合。進(jìn)一步地，圖8表明，閾值電壓隨著劑量的增加而負(fù)向偏移，并最終達(dá)到飽和，這一過(guò)程與理論分析相吻合，說(shuō)明該背柵模型能夠充分反映SOI器件背柵晶體管的總劑量效應(yīng)。

圖8 背柵模型仿真結(jié)果與器件輻射測(cè)試結(jié)果對(duì)比

4 結(jié) 論

文中針對(duì)SOI器件的背柵晶體管建立了SPICE模型，使用Verilog-A實(shí)現(xiàn)子電路。通過(guò)HSPICE仿真模型結(jié)果與總劑量輻照測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，該背柵晶體管模型可以準(zhǔn)確地仿真SOI MOSFET器件在受到輻射之后產(chǎn)生的總劑量效應(yīng)。該模型通過(guò)與主晶體管并聯(lián)實(shí)現(xiàn)對(duì)總劑量導(dǎo)致的漏電流仿真，基于此模型的仿真結(jié)果，電路設(shè)計(jì)者可以較準(zhǔn)確地評(píng)估電路的抗總劑量輻射性能，并針對(duì)漏電明顯的模塊進(jìn)行重新設(shè)計(jì)加固，從而大幅縮短抗輻射電路的開(kāi)發(fā)周期，減小用于加固設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)與總劑量測(cè)試的成本。

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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稿件編號(hào)：201605185

國(guó)家自然科學(xué)基金（61404151；61574153）

黃建強(qiáng)（1989—），男，湖南湘潭人，碩士研究生。研究方向：SOI總劑量輻射效應(yīng)模型。