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CMOS器件以其高速、低功耗、大规模集成、低价格和高成品率被广泛地应用于空间以及民用电子系统。随着器件尺寸进入超深亚微米量级,为了使器件继续满足电路工作要求,人们从结构和工艺上进行了多种改进。然而,这些改进在辐射环境下会引入新的问题,需要新的加固技术。本论文主要是针对超深亚微米CMOS器件的辐射效应及其加固技术进行了系统的研究。
传统的PMOS器件对辐射是本征加固的,然而随着器件尺寸的缩小,通过质子辐射实验研究发现,辐射后的PMOS器件关态电流增加了2个量级,同时阈值电压增大160mV、跨导降低15％、开态电流下降40%。通过模拟研究和实验研究,验证了这些退化是由于辐射后器件侧墙俘获的电荷所致。随着器件尺寸的缩小,器件的侧墙也成为影响器件辐射性能的重要区域。因此,为了提高器件的抗辐射性能,需要对侧墙工艺和结构进行特殊设计。
在传统的长沟器件中,重离子产生的位移损伤效应是次级效应,相对于离化损伤效应可以忽略。然而,随着器件特征尺寸的缩小,重离子辐射产生的物理损伤区的大小已经可以和器件尺寸相比拟,将会影响到器件的性能。通过重离子辐射的实验研究结果显示,器件的直流特性发生了不同程度的退化,比如阈值电压漂移最大值为100mV、开态电流退化最大为26.8%、或者关态电流增加1个量级等,表明位移损伤效应和单粒子微剂量效应成为CMOS器件特性退化的主要因素。在此基础上,建立了适用于电路仿真的单粒子位移损伤器件模型,并应用在反相器和SRAM等基本单元电路中,可以预测单粒子辐射效应对集成电路的影响。
发现了SOI器件经重离子辐射后的新效应。尽管SOI器件在抗单粒子瞬态方面有较大优势,然而实验结果表明,由于超深亚微米SOI器件本身特殊的埋氧层结构,重离子辐射后器件出现了单粒子微剂量效应。重离子也会在SOI器件硅膜中产生物理损伤区,有效地降低了载流子的迁移率,使开态电流下降,其退化机制和体硅器件相同,从而影响器件的性能。
为了满足空间应用,通过实验和模拟的方法研究了新型垂直双栅器件的重离子辐射效应。在直流方面,器件经过重离子辐射,由于器件本身的特殊垂直结构,漏端、沟道区都会受到影响,器件直流退化比体硅更严重。在瞬态特性方面,由于漏端在上,漏端下方的沟道区硅膜小,并且双栅器件栅控能力强,所以漏端收集到的电荷较少。因此,新型垂直双栅器件在抗单粒子瞬态方面比体硅器件具有更强的优势。
针对辐射后超深亚微米器件阈值电压漂移的问题,提出了一种抗辐射的CMOS晶体管。通过器件模拟研究,改进后的CMOS器件具有较好的抗辐射性能。针对器件的新型抗辐射加固设计,提出了一种深阱准SOI器件。通过器件模拟研究,该器件既具有较好的抗总剂量辐射性能,又具有较好的抗单粒子辐射性能,是一种非常有潜力的应用于50nm特征尺寸以下的抗辐射器件结构。