纳米高k栅CMOS器件的总剂量效应及加固技术研究分析 电气工程管理专业VIP免费

摘要随着空间技术、核科学和微纳电子技术的不断发展，越来越多的电子器件被广泛应用于航空、航天及战略武器系统中，遭受着恶劣辐射环境的严重考验。辐射环境中的高能粒子和射线射入半导体器件的氧化区，造成电离损伤，产生氧化层陷阱电荷，从而诱发总剂量（TotalIonizingDose，TID）效应。新工艺技术的出现，如绝缘体上硅（SOI）和高k介质层，使得TID成为引起微电子器件性能退化甚至功能失效最主要的辐射效应。本文以高k栅全耗尽SOI（FullyDepletedSOI，FD-SOI）MOSFET和环栅纳米线晶体管（GateAll-AroundNanowireTransistor，GAA-NWT）研究对象，对其总剂量效应以及相应的加固技术进行了深入系统的研究，主要工作及研究结果如下。一、提出了一种线性能量转移（LinearEnergyTransfer，LET）的高斯—对数模型，推导了辐射场中材料吸收剂量的计算表达式，并基于此对高k材料的辐射敏感性进行了分析。基于对大量LET试验数据的分析，通过对对数变换后的LET数据进行高斯函数拟合，得出了计算任意粒子在硅中LET的简化表达式，并在此基础上计算了粒子在硅中射程及Bragg峰值，其计算结果与实验数据吻合较好。提出一种利用LET表达式计算任意初始能量下粒子在硅中Bragg曲线的简化方法，通过使用粒子剩余能量建立起粒子入射深度与LET之间的数学关系，不仅极大地减少了计算耗时，而且与TRIM计算结果吻合度较高。推导了单向平行辐射场和一般辐射场中材料吸收剂量的计算表达式，建立起粒子通量与吸收剂量之间的数学关系，并在此基础上，计算了HfO2与SiO2在相同辐射环境中的吸收剂量之比，定量分析了HfO2对总剂量辐射的敏感性。二、对浮体FD-SOI器件的总剂量（TotalIonizingDose，TID）效应进行了TCAD仿真，并详细分析了浮体FD-SOI器件TID效应的影响因素。利用SentaurusTCAD软件建立了45nm栅长n型FD-SOI器件的三维模型，利用SiO2中的电荷俘获模型对FD-SOI器件氧化区在不同偏置条件下的电荷俘获过程进行了仿真。基于氧化层电荷俘获的结果，对浮体FD-SOI器件的TID效应进行了仿真，并详细分析了TID效应对FD-SOI器件阈值电压、关态漏电流、跨导和亚阈值摆幅的影响。对不同结构浮体FD-SOI器件的TID效应进行了仿真，分析了埋氧层（BuriedOxide，BOX）厚度对TID效应的增强作用、体区厚度和高k栅对FD-SOI器件TID效应的影响。三、提出了浮体FD-SOI器件和体接触FD-SOI器件TID效应的加固技术。针对浮体FD-SOI器件的总剂量效应，提出了基于背栅偏置技术的动态加固方法，通过TCAD仿真验证了方法的有效性，并计算了不同剂量下的背栅修复电平，分析了BOX厚度对背栅偏置加固方法的影响，通过计算相同辐射环境中，不同BOX厚度FD-SOI器件所需要的背栅修复电平，得出了BOX厚度和背栅修复电平之间的关系，指出这一方法的局限性。对体接触FD-SOI器件的总剂量效应进行了仿真并与浮体FD-SOI进行对比，分析了体接触FD-SOI对TID效应的不敏感性。针对高辐射剂量下体接触FD-SOI器件出现的阈值电压漂移和关态漏电流增加，提出了一种基于体接触偏置技术的加固方法，通过仿真验证方法的有效性，并计算了不同剂量所对应的体接触修复电平。本论文得到国家自然科学基金（批准号：11405270）项目的资助。四、对环栅纳米线晶体管（Gate-All-AroundNanowireTransistor，GAA-NWT）的总剂量效应进行了仿真，并分析了利用屏蔽效应对GAA-NWT器件进行TID加固的可行性。建立了SOI型GAA-NWT的三维模型，分析了器件栅极对BOX中的辐射致陷阱电荷的屏蔽作用，并通过仿真进行验证，讨论了影响GAA-NWT屏蔽作用的两个主要因素：栅极掺杂浓度和源漏极的结深度，对不同栅极掺杂浓度和结深度器件辐射后的电势分布和转移特性进行了仿真，指出提升GAA-NWT器件屏蔽效应的方法。关键词：高k栅，总剂量加固，全耗尽绝缘体上硅，背栅偏置，体接触偏置，环栅纳米线晶体管，屏蔽效应AbstractWiththecontinuousdevelopmentofspacetechnology,nuclearscienceandmicronanoelectronictechnology,moreandmoreelectronicdevicesarewidelyusedinaviation,aerospaceandstrategicweaponssystems,whichhavebeenseverelytestedbytheharshradiationenvironment.Thehighene...