深亚微米金属氧化物场效应晶体管及寄生双极晶体管的总剂量效应研究

王信; 陆妩; 吴雪; 马武英; 崔江维; 刘默寒; 姜柯

doi:10.7498/aps.63.226101

摘要

为从工艺角度深入研究航空航天用互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺混合信号集成电路总剂量辐射损伤机理, 选取国产CMOS 工艺制作的NMOS晶体管及寄生双极晶体管进行了60Coγ射线源下的总剂量试验研究. 发现: 1) CMOS工艺中固有的寄生效应导致NMOS晶体管截止区漏电流对总剂量敏感, 随总剂量累积而增大; 2) 寄生双极晶体管总剂量损伤与常规双极晶体管不同, 表现为对总剂量不敏感, 分析认为两者辐射损伤的差异来源于制作工艺的不同; 3)寄生双极晶体管与NMOS晶体管的总剂量损伤没有耦合效应; 4)基于上述研究成果, 初步分析CMOS工艺混合信号集成电路中数字模块及模拟模块辐射损伤机制, 认为MOS晶体管截止漏电流增大是导致数字模块功耗增大的主因, 而Bandgap电压基准源模块对总剂量不敏感源于寄生双极晶体管抗总剂量辐射的能力.

关键词:

Abstract

The metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET) and the parasitic bipolar transistor of domestic complementary metal oxide semiconductor (CMOS) process are irradiated with 60Coγ rays to investigate the failure mechanism of the mixed-signal ICs fabricated by deep submicron CMOS process, caused by total dose radiation. The research results are as follows. 1) The parasitic sidewall and top corner regions contribute to the intra-device leakage. 2) The parasitic bipolar transistor of CMOS process is not sensitive to total dose radiation, which is very different from the conventional bipolar transistor. Preliminary analysis suggests that the difference originates from the differences in the structural and making process. 3) The total dose radiation damage to the parasitic bipolar transistors is not coupled with the damage to the NMOS transistor in the same CMOS process. 4) Based on the above study, the radiation failure mechanisms of the analog and digital module in mixed-signal ICs fabricated respectively by the domestic and commercial CMOS process are investigated. Preliminary analysis suggests that the increase of off-leakage current of MOSFET is responsible mainly for the increase in power consumption of digital module, and the insensitivity of bandgap voltage reference to total dose radiation originates from the radiation resistance of the parasitic bipolar transistor which is the important part of bandgap voltage reference in CMOS mixed-signal ICs.

Keywords:

作者及机构信息

1.
中国科学院新疆理化技术研究所, 中国科学院特殊环境功能材料与器件重点实验室, 乌鲁木齐 830011;

2.
新疆电子信息材料与器件重点实验室, 乌鲁木齐 830011;

3.
中国科学院大学, 北京 100049

基金项目: 模拟集成电路国家重点实验室(NLAIC)基金项目(批准号:9140C090401120C09036)资助的课题.

Authors and contacts

1.
Key Laboratory of Functional Materials and Devices for Special Environments, Xinjiang Technical Institute of Physics and Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Urumqi 830011, China;

2.
Xinjiang Key Laboratory of Electronic Information Material and Device, Urumqi 830011, China;

3.
University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

Funds: Project supported by the Foundation of National Laboratory of Analog Integrated Circuits, China (Grant No. 9140C090401120C09036).

参考文献

[1]	Johns D A, Matin K 1997 Analog Integrated Circuit Design E1 (New York: John Wiley & Sons Inc) pp357-364
[2]	Lacoe R C 2010 IEEE Trans. Nucl. Sci. 55 1903
[3]	Johnston A H, Swimm R T, Allen G R 2009 IEEE Trans. Nucl. Sci. 56 1941
[4]	Liu Z L, Hu Z Y, Zhang Z X, Shao H, Chen M, Bi D W, Ning B X, Zou S C 2011 Chin. Phys. B 20 070701
[5]	Chen H F, Guo L X 2012 Acta Phys. Sin. 61 028501 (in Chinese) [陈海峰, 过立新 2012 61 028501]
[6]	Cui J W, Yu X F, Ren D Y, Lu J 2012 Acta Phys. Sin. 61 026102 (in Chinese) [崔江维, 余学峰, 任迪远, 卢建 2012 61 026102]
[7]	Ning B X, Hu Z Y, Zhang Z X, Bi D W, Huang H X, Dai R F, Zhang Y W, Zou S C 2013 Acta Phys. Sin. 62 076104 (in Chinese) [宁冰旭, 胡志远, 张正选, 毕大炜, 黄辉祥, 戴若凡, 张彦伟, 邹世昌 2013 62 076104]
[8]	Kruckmeyer K, Prater J S, Brown B, Trinh T 2011 IEEE Trans. Nucl. Sci. 58 1023
[9]	Faccio F, Cervelli G 2005 IEEE Trans. Nucl. Sci. 52 2413
[10]	Faccio F, Barnaby H J, Chen X J, Fleetwood D M, Gonella L, McLain M, Ronald D S 2008 Microelectron. Reliab. 48 1000
[11]	Youk G U, Khare P S, Schrimpf R D, Massengill L W 1999 IEEE Trans. Nucl. Sci. 46 1830
[12]	Liu Z L, Hu Z Y, Zhang Z X, Shao H, Ning B X, Bi D W, Chen M, Zou S C 2011 Chin. Phys. Lett. 28 070701
[13]	Pease R L 2003 IEEE Trans. Nucl. Sci. 50 539
[14]	Johnston A H, Rax B G, Lee C I 1995 IEEE Trans. Nucl. Sci. 42 1650
[15]	Schmidt D M, Fleetwood D M, Schrimpf R D, Pease R L 1995 IEEE Trans. Nucl. Sci. 42 1541
[16]	Freitag R K, Brown D B 1998 IEEE Trans. Nucl. Sci. 45 2649
[17]	Fleetwood D M, Schrimpf R D, Pantelides S T, Pease R L, Dunham G W 2008 IEEE Trans. Nucl. Sci. 55 2986
[18]	Razavi B 2001 Design of Analog CMOS Integrated Circuits (New York: The McGraw-Hill Press)
[19]	Martin K 2001 Digital Integrated Circuit Design (Oxford: Oxford University Press)

施引文献

[1]	Johns D A, Matin K 1997 Analog Integrated Circuit Design E1 (New York: John Wiley & Sons Inc) pp357-364
[2]	Lacoe R C 2010 IEEE Trans. Nucl. Sci. 55 1903
[3]	Johnston A H, Swimm R T, Allen G R 2009 IEEE Trans. Nucl. Sci. 56 1941
[4]	Liu Z L, Hu Z Y, Zhang Z X, Shao H, Chen M, Bi D W, Ning B X, Zou S C 2011 Chin. Phys. B 20 070701
[5]	Chen H F, Guo L X 2012 Acta Phys. Sin. 61 028501 (in Chinese) [陈海峰, 过立新 2012 61 028501]
[6]	Cui J W, Yu X F, Ren D Y, Lu J 2012 Acta Phys. Sin. 61 026102 (in Chinese) [崔江维, 余学峰, 任迪远, 卢建 2012 61 026102]
[7]	Ning B X, Hu Z Y, Zhang Z X, Bi D W, Huang H X, Dai R F, Zhang Y W, Zou S C 2013 Acta Phys. Sin. 62 076104 (in Chinese) [宁冰旭, 胡志远, 张正选, 毕大炜, 黄辉祥, 戴若凡, 张彦伟, 邹世昌 2013 62 076104]
[8]	Kruckmeyer K, Prater J S, Brown B, Trinh T 2011 IEEE Trans. Nucl. Sci. 58 1023
[9]	Faccio F, Cervelli G 2005 IEEE Trans. Nucl. Sci. 52 2413
[10]	Faccio F, Barnaby H J, Chen X J, Fleetwood D M, Gonella L, McLain M, Ronald D S 2008 Microelectron. Reliab. 48 1000
[11]	Youk G U, Khare P S, Schrimpf R D, Massengill L W 1999 IEEE Trans. Nucl. Sci. 46 1830
[12]	Liu Z L, Hu Z Y, Zhang Z X, Shao H, Ning B X, Bi D W, Chen M, Zou S C 2011 Chin. Phys. Lett. 28 070701
[13]	Pease R L 2003 IEEE Trans. Nucl. Sci. 50 539
[14]	Johnston A H, Rax B G, Lee C I 1995 IEEE Trans. Nucl. Sci. 42 1650
[15]	Schmidt D M, Fleetwood D M, Schrimpf R D, Pease R L 1995 IEEE Trans. Nucl. Sci. 42 1541
[16]	Freitag R K, Brown D B 1998 IEEE Trans. Nucl. Sci. 45 2649
[17]	Fleetwood D M, Schrimpf R D, Pantelides S T, Pease R L, Dunham G W 2008 IEEE Trans. Nucl. Sci. 55 2986
[18]	Razavi B 2001 Design of Analog CMOS Integrated Circuits (New York: The McGraw-Hill Press)
[19]	Martin K 2001 Digital Integrated Circuit Design (Oxford: Oxford University Press)

[1]	李济芳, 郭红霞, 马武英, 宋宏甲, 钟向丽, 李洋帆, 白如雪, 卢小杰, 张凤祁. 石墨烯场效应晶体管的X射线总剂量效应. , 2024, 73(5): 058501. doi: 10.7498/aps.73.20231829
[2]	张晋新, 王信, 郭红霞, 冯娟, 吕玲, 李培, 闫允一, 吴宪祥, 王辉. 三维数值仿真研究锗硅异质结双极晶体管总剂量效应. , 2022, 71(5): 058502. doi: 10.7498/aps.71.20211795
[3]	张晋新, 王信, 郭红霞, 冯娟. 基于三维数值仿真的SiGe HBT总剂量效应关键影响因素机理研究. , 2021, (): . doi: 10.7498/aps.70.20211795
[4]	陈睿, 梁亚楠, 韩建伟, 王璇, 杨涵, 陈钱, 袁润杰, 马英起, 上官士鹏. 氮化镓基高电子迁移率晶体管单粒子和总剂量效应的实验研究. , 2021, 70(11): 116102. doi: 10.7498/aps.70.20202028
[5]	李顺, 宋宇, 周航, 代刚, 张健. 双极型晶体管总剂量效应的统计特性. , 2021, 70(13): 136102. doi: 10.7498/aps.70.20201835
[6]	秦丽, 郭红霞, 张凤祁, 盛江坤, 欧阳晓平, 钟向丽, 丁李利, 罗尹虹, 张阳, 琚安安. 铁电存储器60Co γ射线及电子总剂量效应研究. , 2018, 67(16): 166101. doi: 10.7498/aps.67.20180829
[7]	彭超, 恩云飞, 李斌, 雷志锋, 张战刚, 何玉娟, 黄云. 绝缘体上硅金属氧化物半导体场效应晶体管中辐射导致的寄生效应研究. , 2018, 67(21): 216102. doi: 10.7498/aps.67.20181372
[8]	周航, 崔江维, 郑齐文, 郭旗, 任迪远, 余学峰. 电离辐射环境下的部分耗尽绝缘体上硅n型金属氧化物半导体场效应晶体管可靠性研究. , 2015, 64(8): 086101. doi: 10.7498/aps.64.086101
[9]	卓青青, 刘红侠, 王志. 三维H形栅SOINMOS器件总剂量条件下的单粒子效应. , 2013, 62(17): 176106. doi: 10.7498/aps.62.176106
[10]	卓青青, 刘红侠, 彭里, 杨兆年, 蔡惠民. 总剂量辐照条件下部分耗尽半导体氧化物绝缘层N沟道金属氧化物半导体器件的三种kink效应. , 2013, 62(3): 036105. doi: 10.7498/aps.62.036105
[11]	周昕杰, 李蕾蕾, 周毅, 罗静, 于宗光. 辐照下背栅偏置对部分耗尽型绝缘层上硅器件背栅效应影响及机理分析. , 2012, 61(20): 206102. doi: 10.7498/aps.61.206102
[12]	李明, 余学峰, 薛耀国, 卢健, 崔江维, 高博. 部分耗尽绝缘层附着硅静态随机存储器总剂量辐射损伤效应的研究. , 2012, 61(10): 106103. doi: 10.7498/aps.61.106103
[13]	胡志远, 刘张李, 邵华, 张正选, 宁冰旭, 毕大炜, 陈明, 邹世昌. 深亚微米器件沟道长度对总剂量辐照效应的影响. , 2012, 61(5): 050702. doi: 10.7498/aps.61.050702
[14]	王义元, 陆妩, 任迪远, 郭旗, 余学峰, 何承发, 高博. 双极线性稳压器电离辐射剂量率效应及其损伤分析. , 2011, 60(9): 096104. doi: 10.7498/aps.60.096104
[15]	刘张李, 胡志远, 张正选, 邵华, 宁冰旭, 毕大炜, 陈明, 邹世昌. 0.18 m MOSFET器件的总剂量辐照效应. , 2011, 60(11): 116103. doi: 10.7498/aps.60.116103
[16]	王思浩, 鲁庆, 王文华, 安霞, 黄如. 超陡倒掺杂分布对超深亚微米金属-氧化物-半导体器件总剂量辐照特性的改善. , 2010, 59(3): 1970-1976. doi: 10.7498/aps.59.1970
[17]	贺朝会, 耿斌, 何宝平, 姚育娟, 李永宏, 彭宏论, 林东生, 周辉, 陈雨生. 大规模集成电路总剂量效应测试方法初探. , 2004, 53(1): 194-199. doi: 10.7498/aps.53.194
[18]	贺朝会, 耿斌, 杨海亮, 陈晓华, 李国政, 王燕萍. 浮栅ROM器件辐射效应机理分析. , 2003, 52(9): 2235-2238. doi: 10.7498/aps.52.2235
[19]	贺朝会, 耿斌, 杨海亮, 陈晓华, 王燕萍, 李国政. 浮栅ROM器件的辐射效应实验研究. , 2003, 52(1): 180-187. doi: 10.7498/aps.52.180
[20]	郭红霞, 陈雨生, 张义门, 周辉, 龚建成, 韩福斌, 关颖, 吴国荣. 稳态、瞬态X射线辐照引起的互补性金属-氧化物-半导体器件剂量增强效应研究. , 2001, 50(12): 2279-2283. doi: 10.7498/aps.50.2279

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