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CMOS抗总剂量辐照原理及先进加固器件 【摘要】随着半导体产业的进步以及空间技术和核工程的快速发展，越老越多的CMOS集成电路被应用于辐照环境当中。因此CMOS电路面临着更加严峻的挑战。为了保证CMOS集成电路在严苛条件下的性能表现以及可靠性，抗辐照加固技术应运而生。本文从抗辐照加固的基本原理出发，分析了辐照失效的机理以及几种不同的失效模式，并简单介绍了几种不同的抗辐照加固结构。 关 键 词 CMOS电路; 总剂量辐照加固; 1 辐照失效机理 集成电路在辐照环境下的机理大致有以下几种形式： 单粒子效应 总剂量效应 中子辐射效应 瞬时辐射效应 剂量增强效应 低计量率效应。 其中，导致器件失效的影响较大的辐射效应为总剂量效应（TID，Total Ionizing Dose）和单粒子效应（SEE，Single Event Effects）[1]。下文将具体介绍这两种辐照效应的产生方式及其对电路单元的影响。 1.1 总剂量效应（TID） 总剂量效应是当集成电路元器件长期处于辐射环境中时，多次粒子入射将会造成正电荷积累，从而引起器件性能发生退化甚至失效。当航天器和武器型号中所使用的电子元器件工作在电离总剂量辐射环境中时，会遭遇高能粒子及光子的轰击，其工作参数及使用寿命不可避免地会受到影响和危害，严重时可引起航天系统失效，甚至导致不可想象的航天事故。电离总剂量辐射对半导体元器件的影响主要体现在隔离二氧化硅层中，如：MOS结构的栅氧化物、隔离氧化物和SOI器件的BOX埋氧层等等。 辐射产生的电子会在几皮秒的时间内被扫出氧化层并被栅电极收集，而空穴会在栅极电场的作用下向Si/SiO2界面处缓慢运动。然而，有些电子还没有来得及被扫出电场就已经又和空穴复合了。没有发生复合反应的那部分电子空穴对被称为净电荷量。没有被复合的空穴会在氧化层中以局域态的形式向界面处做阶跃运动。当空穴运动到界面附近时，一部分会被界面处的空穴陷阱俘获，形成带正电的氧化物陷阱电荷。 总剂量效应对半导体器件主要有以下三个方面的影响： ⑴、阈值电压漂移 对于NMOS器件，在正常的正向偏置条件下，氧化层陷阱电荷主要分布在二氧化硅-硅界面的附近，并且氧化层中存在的空穴陷阱浓度一般在1018cm-3数量级以上，因此总剂量辐照过程中大部分的空穴都会被陷阱所俘获，形成氧化层陷阱电荷，使NMOS器件的阈值电压负向漂移。另一方面，需要质子输运到界面处以参与界面陷阱电荷的形成，但是在相同电场的作用下，质子的迁移率要远小于空穴，分别为10-11cm2/V?s和10-5cm2/V?s，因此界面陷阱电荷的形成速度相对于氧化层陷阱电荷要慢许多。因此在辐照总剂量不是很大的时候，氧化层中的空穴陷阱还没有完全被空穴占据而达到饱和的情况下，氧化层陷阱电荷要远多于界面陷阱电荷，此时阈值电压的漂移主要由氧化层陷阱电荷决定，即阈值电压负向漂移，并且随着辐照总剂量的增加，阈值电压会持续负向漂移。但是在辐照总剂量足够大时，氧化层陷阱电荷将会趋于饱和，而界面陷阱电荷仍然继续增加，导致阈值电压负向漂移逐渐变慢，最后在界面陷阱电荷足够多时，其对阈值电压的影响将超过氧化层陷阱电荷，使得阈值电压出现回升，这种现象就是阈值电压的“反弹效应”。 ⑵、泄漏电流增加 总剂量辐射效应除了使NMOS器件的阈值电压发生负向漂移外，还会使器件的泄漏电流随着累积辐射剂量的增加而增大，是引起NMOS器件和集成电路失效的另外一个重要机制，并且集成电路的集成度越高，总剂量辐射引起的泄漏电流问题也就越明显，对集成电路的功耗影响更加严峻。NMOS器件在受到总剂量辐射后，其栅氧化层和场氧化层都会引起泄漏电流的增加，但是通过上一部分阈值电压漂移的分析可知，氧化层中的陷阱电荷密度正比于氧化层厚度，而在当今的先进CMOS工艺中，器件栅氧化层的厚度已经可以做到几纳米甚至小于1nm的程度，使得栅氧化层中的陷阱电荷对泄漏电流的影响变得很小，并且栅氧化层厚度足够薄时，由于隧穿效应的存在，栅氧化层中积累的陷阱电荷也会更少，因此总剂量效应引起的泄漏电流主要存在于场氧化层区域。 场氧化层引起的泄漏电流又可以分成器件内部的泄漏电流和器件之间的泄漏电路。器件内部的泄漏电流是指由于场氧化层侧向漏电，从而在NMOS晶体管的源漏之间存在电压差时产生的泄漏电流；而器件之间的泄漏电流主要来自相邻晶体管不同偏压的源/漏端之间或者来自存在电压差的相邻N阱之间，是由于场氧化层底部漏电产生的。研究表明由于场氧化层底部的电场强度要比顶部小三个数量级，从而造成对应区域的空穴产额差别很大，使得器件之间的泄漏电流要远小于器件内部的泄漏电流。NMOS器件内部的场氧化层侧向漏电示意图如下图2-3所示，其中图2-3(a)为NMOS器件的版图，箭头所示的是NMOS器件源漏之间存在的漏电通道，该漏电通道靠