1 引言

近年来，利用SIMOX材料的SOI CMOS技术获得了长足的发展。由于SOI材料自身的特点，在抗SEU、软误差、瞬态剂量率、高温泄漏电流和抗闩锁上有着体硅无法比拟的优势[1，2]，引起了空间电子和商用高温电子等领域的广泛兴趣。这些恶劣的环境条件对电子设备提出了很高的要求，需要能够承受空间轨道和星际较强的辐射（典型的抗辐照能力要大于500 Krad（Si）），同时需要有较好的温度特性，能够工作在－120℃至300℃较大的温度范围内。

在抗总剂量辐射方面，采用LOCOS隔离的SOI CMOS技术，其效应要比体硅复杂，它不仅有栅氧和场氧的总剂量效应，还存在埋氧的抗总剂量问题。对于SOI器件，辐照不仅在栅氧和场氧中产生感生电荷，还会在埋层SiO2中引入电荷。辐射感生在陷阱电荷主要是正电荷，这些正电荷将会引起NMOS背沟界面反型，导致器件泄漏电流增加，对于全耗尽器件，前栅和背栅的电耦合会导致器件的阀值电压随埋氧电荷的建立而减小。目前在SOI CMOS器件和电路的抗总剂量加固方面已经有大量的文献报道[3－8]，采用加固工艺的抗总剂量能力已经达到并超过2 Mrad（Si）[9，10]，采用工艺加固技术和优化的器件结构证明可以明显提升SOI CMOS器件和电路的抗总剂量辐射水平。文中所述采用SIMOX材料和0.8μm SOI CMOS工艺加固技术成功研制出抗总剂量性能较好的器件和电路，给出了SOI MOS器件的特性随辐射总剂量的变化关系，对试验电路的抗总剂量辐射能力情况进行了介绍。

2 SOI/CMOS技术

试验所采用的材料是全剂量的SIMOX材料（技术规格如表1所示）。0.8μm SOI CMOS工艺加固技术采用的是单层次多晶双层金属工艺，岛间用LOCOS进行隔离，栅氧厚度是175A，源漏端采用LDD结构以改善器件的性能，为了降低方块电阻和接触电阻，应用了Silicide工艺，器件的剖面结构如图1所示。为了提高器件和电路的抗总剂量辐射能力，我们对LOCOS隔离、沟道工程、栅氧氧化、退火、 ACER和LDD等工艺进行了工艺加固。

 

3 辐照条件

我们对NMOS、PMOS单管器进行了总剂量辐照测试。单管的沟道宽长比是8μm/0.8μm，辐照前用4155A对单管前栅的转移特性和输出特性进行了测试。用ARACOR4100X射线半导体辐照系统对单管器件进行总剂量辐照实验，辐照条件和器件在辐照时的偏置如表2所示。辐照后对器件的转移特性和输出特性进行测试，以前栅和背栅开启电压的漂移和饱和电流的变化来对器件的抗辐照性能进行评价。

4 结果与分析

4.1 器件的测量结果

图2显示了辐照前用4155A测试的NMOS和PMOS单管的转移特性曲线。NMOS和PMOS的阀值电压分别是1V和－0.95V，泄漏电流分别约是3pA·μm－1和0.5pA·μm－1，事实上图2反映出来的漏电是测试系统漏电，我们用屏蔽更好地测试台、测试精度更高的4156C进行测试，在Vds＝±5V时的泄漏电流分别只有0.25pA·μm－1和0.02pA·μm－1。由于SOI MOS器件与体Si相比少了大面积的源漏底面的 结，所以一般情况下截止漏电要比体Si小很多。

 

图3显示了辐照前NMOS和PMOS单管的转移特性。NMOS和PMOS在Vgs＝±5V时的饱和电流分别是1.8mA和1.29mA。由于SCBE（Su trate Current Body Effect）和自加热效应，NMOS在Vds较大时Ids有明显的增加、在Ids较大时则表现出负阻效应。PMOS则表现出明显的电流不饱和效应。

在100K、200K、500K、1M和1.5M的总剂量辐照后，NMOSFET、PMOSFET前栅和背栅的转移特性如图4所示。由于辐照在栅氧和埋层SiO2中引入空穴陷阱电荷，使NMOSFET和PMOSFET的前栅和背栅开启电压向负值方向漂移。

对于NMOSFET，辐照使背栅开启电压下降，背开启由辐照前的39V下降到1.5Mrad（Si）辐照后的15.2V（以背沟道电流达到1E－7A作为背开启的条件），背栅在500Krad（Si）总剂量的辐照后虽然开启下降了约15V，但漏电没有变化，1Mrad（Si）总剂量辐照后背栅漏电约10pA，1.5Mrad（Si）总剂量辐照后背栅漏电约3nA，漏电基本上达到了文献[11]中加固样品的水平。前栅在辐照后的漏电情况与背栅相似，对于PMOSFET，辐照使背栅和前栅的开启电压更负，除了开启电压漂移外，漏电流没有相应的变化。

图5显示了前栅和背栅的开启电压随辐照总剂量的变化关系。NMOS的背栅和前栅的开启电压在1.5Mrad（Si）总剂量辐照后分别漂移了24V和0.3V，背栅开启漂移较大，这与文献[12]的结果类似，所不同的是文献[12]中有NMOS的背栅开启电压的漂移随辐照总剂量增加到1Mrad（SiO2）后有趋于饱和的现象，而文中则没有观察到。PMOS的背栅和前栅的开启电压在1.5Mrad（Si）总剂量辐照后分别漂移了7V和0.6V，与NMOS相比，PMOS的前栅开启电压漂移较多，这是由于埋层SiO2中空穴陷阱电荷耦合到前栅的结果。另外，我们可以看到PMOS的背栅和前栅开启电压的漂移随辐照总剂量增加到1Mrad（SiO2）后有趋于饱和的现象。

辐照对MOS器件输出特性的直接影响是器件的输出饱和电流发生改变，图6给出了W/L＝8μm/0.8μm的NMOSFET和PMOSFET的输出特性随500K、1M和1.5Mrad（Si）的总剂量辐照后的变化。从图中可以看出，随着辐照总剂量的增加，NMOSFET的饱和电流也随之增加，在1.5Mrad（Si）总剂量辐照后，饱和电流Idsat（对应于Vgs＝5V、Vds＝5V的漏端电流Ids）由辐照前的1.8mA增加到2.15mA，约增加了20％。PMOSFET的饱和电流则随着辐照总剂量的增加而减小，可以明显地看出，PMOSFET的饱和电流对低于500Krad（Si）的辐照总剂量比较敏感，在辐照总剂量大于500Krad（Si）时，饱和电流虽然仍随着辐照总剂量的增加而减小，但幅度并不是很明显，在500Krad（Si）总剂量辐照后，饱和电流Idsat（对应于Vgs＝－5V、Vds＝－5V的漏端电流Ids）由辐照前的1.29mA下降到1.02mA，约减少了21％，而在1.5Mrad（Si）总剂量辐照后饱和电流下降到0.94mA，约减少了27％，增加了1Mrad（Si）总剂量饱和电流的下降只增加了7个百分点。

4.2 电路的测试结果

试验电路的集成度为万门级，设计规范静态电流小于100μA、动态电流小于20mA。用测试系统对辐照前后电路的静态电流、动态电流、高低电平和电路功能进行了测试，结果如表3所示。在总剂量500Krad（Si）钴60γ射线加电辐照实验后，电路的功能正常，静态电流、动态电流等各项电路的指标参数均没有发生明显变化，完全满足电路的规范要求。

5 结论

我们成功建立了具有批产能力的抗辐射加固0.8μm SOI CMOS技术平台，并用此技术研制出了性能较好的器件和试验电路，对器件和电路进行了辐射实验，实践证明采用抗辐射加固0.8μm SOI CMOS技术可以使器件的抗总剂量辐射能力达到1Mrad（Si）、电路的抗总剂量辐射水平达到500Krad（Si），满足试验电路的设计要求。

本文引用地址：http://www.newbonder.com/article/2006/1228/article_1358.html

责任编辑：