SOI MOSFET背柵總劑量輻射效應電流模型

黃建強，何偉偉，陳 靜，羅杰馨

（1.中國科學院上海微系統與信息技術研究所 信息功能材料國家重點實驗室，上海200050；2.中國科學院大學 北京100049）

SOI MOSFET背柵總劑量輻射效應電流模型

黃建強1，2，何偉偉1，2，陳 靜1，羅杰馨1

（1.中國科學院上海微系統與信息技術研究所 信息功能材料國家重點實驗室，上海200050；2.中國科學院大學 北京100049）

基于SOI CMOS技術的抗輻射電路設計存在開發周期長、測試費用昂貴的問題。針對這一難點，本文通過對總劑量輻射效應機理的分析，提出了一種背柵總劑量效應電流模型。模型驗證結果表明，該背柵總劑量模型仿真結果能高度吻合測試結果，模型能夠給電路設計者提供可靠的仿真結果，縮短抗輻射電路開發周期，具有實用意義。

SOI MOSFET；總劑量效應；背柵晶體管；電流模型

隨著航天技術的發展，大量的航天電子器件被運用到空間環境中。由于沒有大氣的保護，電子器件在太空中極易受到宇宙射線的影響，產生諸如單粒子效應、瞬態輻射效應、總劑量效應等輻射相關的效應[1]。這些輻射效應對電子器件會產生不同程度與不同類型的影響，并影響到整個電路的工作狀態。從而，電子器件進行抗輻射加固設計成為了日益重要的課題。

絕緣體上硅（Silicon-on-Insulator，SOI）技術是一種被廣泛應用于抗輻射加固設計的技術。該技術相對于體硅技術而言，最大的改進在于增加了埋氧層，將體硅中的體區與襯底隔離開，形成介質隔離，從而杜絕閂鎖效應和總劑量輻射效應引發的器件間漏電[2]。由于SOI襯底-埋氧層-頂層硅三部分形成了新的MOS結構，通常也稱為背柵晶體管。這種埋氧層的存在使得基于SOI技術的晶體管在抗單粒子、瞬態輻射等效應時有著天然的優勢[3]。然而，埋氧層的存在也增加了總劑量輻射效應的敏感區域，使得SOI的總劑量效應變得更嚴重[4]。通過電路設計驗證加固效果時需要反復對電路進行輻射實驗，大大增加了抗輻射電路開發的成本，開發周期十分漫長。針對總劑量效應建立可用于電路仿真的SPICE模型，是一種較為迅速的加固設計開發方法。已有的研究主要針對SOI器件的前柵柵氧與隔離場氧建立總劑量模型[5-8]，缺少針對埋氧層進行的建模。文中將重點分析SOI器件埋氧層的總劑量效應，并建立背柵SPICE模型，最后通過對比仿真結果與測試結果來驗證該模型的準確性。

1 MOS結構總劑量閾值電壓模型

1.1 總劑量輻射效應機理

金屬-氧化物-半導體（MOS）結構是現代集成電路工藝中最基本的結構，除去MOSFET中主晶體管MOS結構，SOI器件中還存在著大量的MOS寄生結構，比如柵-場氧-硅；襯底-埋氧-硅等等。這些結構在一定的條件也具備MOSFET一樣的電學特性，只是閾值電壓與載流子遷移率等關鍵參數不同。

空間環境中的高能射線在穿過MOS的氧化層時，會電離產生電子-空穴對，如圖1所示，一部分電子-空穴對在電場的作用下會分離，朝向不同的方向運動；另一部分則在很短的時間內重新復合[9]。這個分離的比例定義為電荷產率f（E），其中E表示MOS中電場的大小。

圖1 輻射產生的電子-空穴對

未復合的電子與空穴在氧化層中的運動如圖2所示。電子被電場直接“掃”到正極，空穴則由于運動速度較慢，在電場的推動下緩慢向SiO2-Si的界面運動。空穴的運動會依靠氧化物中的空位來“跳動”，這一過程會釋放出部分氫離子，該氫離子也會在電場的作用下向SiO2-Si的界面運動[10-11]。

圖2 MOS結構受總劑量效應產生的電荷分布

1.2 總劑量閾值電壓偏移模型

空穴與氫離子的不同在于，空穴只運動到界面附近便形成氧化物陷阱，而氫離子會運動到界面上，形成界面陷阱[12]。氧化物陷阱會使得MOSFET的閾值電壓負偏，界面陷阱則針對MOSFET的類型不同而產生不同的閾值電壓偏移：NMOS閾值電壓正向偏移；PMOS閾值電壓負向偏移[13]。綜合兩種陷阱電荷對閾值電壓的影響，可以建立閾值電壓的偏移模型：

其中 Qhole是沒有被復合的空穴數目，Qhydrogen是空穴在運動過程中釋放的氫離子，Cox是柵氧電容。

輻射產生空穴對數目可以表示為

其中q為電荷常量，ke為劑量增強因子，D為總劑量，g0為SiO2中單位劑量產生的電子-空穴對數目，是一個常量；tox表示柵氧化層厚度。

由于Qhydrogen數目不會超過，因此，式（1）也可以表示為：

其中εox表示SiO2的介電系數。

有研究表明，器件受到總劑量輻照之后，閾值電壓會以近似線性的關系隨劑量增加而變化。當劑量達到一定程度之后，閾值電壓將達到飽和，不會繼續負向偏移[14]。這是由于氧化層內的陷阱電荷達到飽和的原因。由此，我們可以將式（3）中關于電荷與劑量的部分用指數關系表示為：

其中k1是一個綜合系數；τ表示電荷的分布系數。最終得到MOS受到總劑量影響造成的閾值電壓偏移模型為：

2 SOI背柵晶體管總劑量電流模型

SOI中襯底-埋氧-硅構成一個與主晶體管位置相反的背柵晶體管，如圖3所示。背柵晶體管的柵氧層即埋氧層。在0.13 μm SOI CMOS工藝條件下，埋氧層通常厚達一百多納米，而主晶體管的柵氧層只有幾納米厚。所以，背柵晶體管的電學特性與主晶體管有很大不同，閾值電壓遠大于主晶體管的閾值電壓。

通過將式（5）中 tox改為埋氧層厚度可以看到，背柵晶體管受到總劑量影響的敏感程度遠大于前柵晶體管。然而，背柵實際產生的總劑量效應與埋氧層中電場強度有關，不單純依賴于埋氧層的厚度。如圖4、圖5所示為器件內部電勢仿真的結果，兩條實線之間的部分為埋氧層，其下方為襯底，上方為硅。從兩圖中可以看到，不同的偏置電壓下，埋氧層中的電場的分布也不同。這就造成了器件在輻照環境中產生的空穴分布不均勻。

圖3 背柵晶體管漏電通道

圖4 OFF偏置時埋氧層中產生的電場大小 （使用PISCASII仿真得到）

圖5 ON偏置時埋氧層中產生的電場大小

圖6 背柵晶體管等效受控電流源

如圖6所示，空穴的分布傾向于漏、源其中一側。背柵晶體管的導通取決于空穴積累最少的部分，即圖6中靠近源區的部分。因此，可以將背柵晶體管等效為一個溝道長度較小，溝道寬度等于主晶體管的寄生晶體管。由于背柵晶體管的電流只是以漏電流的形式疊加到主晶體管上，所以，背柵晶體管可以簡化為一個受總劑量影響的受控電流源[15]。其電流大小表示為：

其中μbg表示載流子遷移率；Cox，bg表示埋氧層片電容大小；W表示溝道寬度；Lbg表示背柵晶體管的等效溝道長度；Abulk表示體電荷因子；vt為熱電壓。Vgsteff，bg與 Vdseff，bg分別表示有效過驅動電壓與有效漏電壓，兩者可以從工業標準模型BSIM3.3模型的計算公式直接得到計算結果。Vgsteff，bg集中反映了式（5）中閾值電壓的偏移情況。

圖7 背柵模型子電路

簡化后的背柵總劑量模型可以并聯到主晶體管上，構成如圖 7所示的子電路。該子電路可用Verilog-A實現如下：

該Verilog-A實現的模型可以直接在SPICE電路網表中進行調用，仿真電路受到總劑量效應影響而產生的背柵特性退化程度。

3 模型仿真結果

為了驗證背柵總劑量模型，我們設計了總劑量輻照測試實驗，通過對比測試結果與仿真結果來判斷該模型的準確性。總劑量測試采用0.13 μm SOI CMOS工藝，使用有體接觸的NMOS Core器件，寬長比W/L=10 μm/0.13 μm；輻射采用中國科學院新疆理化技術研究所的60Co輻射源，劑量率為125 rad（Si）/s；總劑量數據采集點分別為：100 krad（Si）、400 krad（Si）、700 krad（Si）、1 000 krad（Si）；輻照器件采用OFF偏置，具體條件為：Vg=Vs=Vb=Vbg=GND，Vd=1.2 V；每個劑量點輻照結束后，使用Keithely 4200-SCS半導體參數分析儀采集背柵晶體管的轉移特性，數據采集過程控制在30分鐘以內，以防止器件退火對特性測試造成干擾。

如圖8所示，點表示總劑量測試結果，實線表示調用HSPICE仿真得到的結果。除去精度范圍以外的數據，從對比結果可以看出，仿真結果與測試結果高度吻合。進一步地，圖8表明，閾值電壓隨著劑量的增加而負向偏移，并最終達到飽和，這一過程與理論分析相吻合，說明該背柵模型能夠充分反映SOI器件背柵晶體管的總劑量效應。

圖8 背柵模型仿真結果與器件輻射測試結果對比

4 結 論

文中針對SOI器件的背柵晶體管建立了SPICE模型，使用Verilog-A實現子電路。通過HSPICE仿真模型結果與總劑量輻照測試結果進行對比，結果表明，該背柵晶體管模型可以準確地仿真SOI MOSFET器件在受到輻射之后產生的總劑量效應。該模型通過與主晶體管并聯實現對總劑量導致的漏電流仿真，基于此模型的仿真結果，電路設計者可以較準確地評估電路的抗總劑量輻射性能，并針對漏電明顯的模塊進行重新設計加固，從而大幅縮短抗輻射電路的開發周期，減小用于加固設計開發與總劑量測試的成本。

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I-V model for back-gate total ionizing dose effect in SOI MOSFET

HUANG Jian-qiang1，2，HE Wei-wei1，2，CHEN Jing1，LUO Jie-xin1
（1.The State Key Laboratory of Functional Materials for Informatics，Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology，Chinese Academy of Sciences，Shanghai 200050，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

The problems of SOI CMOS technology based radiation hardened circuit design are long period development and high cost of radiation test.Aiming at these difficulties，this paper proposed a total ionizing dose（TID）model for back-gate transistor by analyzing the TID effect mechanism.The validation of the model shown that the simulation results of back-gate TID model can great agreement with the TID measurement result.The model provides the reliable results to circuit designer，shortening the radiation hardened circuit development cycle.thus，it is very practical.

Silicon-on-Insulator MOSFET；total ionizing dose effect；bBack-gate transistor；I-V Model

TN386.1

：A

：1674－6236（2017）05-0142-04

2016-05-19稿件編號：201605185

國家自然科學基金（61404151；61574153）

黃建強（1989—），男，湖南湘潭人，碩士研究生。研究方向：SOI總劑量輻射效應模型。