0 引言

    在核爆情況下，產生瞬時輻射主要有X射線、γ射線的總劑量輻射、劑量率輻射及中子輻射。瞬時劑量率輻射作用時間一般在幾秒內，在電子系統內引起瞬時損傷，嚴重時會使電子器件功能紊亂甚至燒毀。因此，研究電子器件在核輻射環境下的瞬時劑量率效應十分重要，是進行電路抗瞬時劑量率輻射加固設計的基礎。近年來，國內外對MOS電子器件的中子數值模擬、中子導致翻轉等核輻射效應進行了研究，并發表了一些代表性成果^[1-6]；國外對CMOS器件及電路的瞬時輻射效應研究也有相關的文獻報道^[7-12]。本文基于0.13 μm SOI工藝的H型NMOS器件模型，通過TCAD軟件進行三維數值模擬，得到了不同劑量率輻射條件下NMOS漏端電流和體接觸電流的數值變化，量化了MOS器件的瞬時劑量率輻射效應的表征參數，為超大規模集成電路抗瞬時劑量率加固設計提供了數值依據。

1 SOI器件瞬時輻射劑量率效應

    SOI器件可消除體硅CMOS電路的寄生閂鎖效應，并具有較強的抗瞬時輻射能力，廣泛應用于抗核輻射領域的電子元器件中。SOI器件的瞬時劑量率效應是指暴露于脈沖γ射線輻射的半導體SOI器件所表現出的電離輻射損傷，其機理是瞬時電離脈沖輻射在半導體材料中激發電子－空穴對，這些光生載流子在被器件收集的過程中產生瞬時光電流。當輻射劑量率較大時光電流可能等于甚至大于器件本身的電流信號，導致器件性能退化甚至失效。當γ射線射入半導體材料，部分光子能量被材料吸收和引起電離，激勵出電子，且在材料內產生空穴-電子對。在硅中，約3.6 eV的能量產生一個空穴-電子對。假如產生空穴-電子對的區域內存在電場，或者該區的附近存在電場，且電場的方向與PN結勢壘的方向一致，這時空穴和電子就被電場掃出，引起光電流流動^[13]。

2 H型NMOS器件模型及電學仿真

2.1 H型NMOS器件模型

    常用的抗輻射SOI NMOS器件結構有H柵結構、T柵結構、BTS柵結構及條柵結構等，H型柵結構帶有兩個對稱分布、連接到地的體接觸點，是抗輻射設計采用最多的一種結構。

    本文研究的0.13 μm SOI工藝H型NMOS的物理參數為溝長W_g為0.13 μm，溝寬L₁為0.8 μm，源漏寬度W₁為0.4 μm。圖1為H型NMOS器件的三維結構圖，圖中X軸代表器件的溝長方向尺寸，Y軸代表器件的溝寬方向尺寸，Z軸代表器件的表面深度。

    圖1中，H型柵的引出端寬度W₃為0.15 μm，體接觸區域W₂為0.41 μm，體接觸寬度為0.2 μm，體接觸到引出端距離為0.21 μm。H型NMOS的柵極摻雜濃度為3×10²⁰/cm3，溝道摻雜濃度為2×10¹⁷/cm3(溝道表面)，N+區摻雜濃度為32.5×10²⁰/cm3(N+區表面)。

2.2 H型NMOS的電學特性仿真

    對上述結構參數的H型NMOS器件電學特性進行仿真，通過漏端給定0.1 V偏壓，對柵端在0～1.2 V電壓范圍內進行掃描得到NMOS的I_d-V_gs曲線；通過柵端分別給定0.5 V、1 V、1.5 V、2 V偏壓，對漏端在0～1.2 V電壓范圍內進行掃描得到I_d-V_ds曲線。曲線圖分別如圖2、圖3所示，器件閾值電壓Vth為0.35 V。

    圖2表明漏端電流I_d隨著V_gs的增加而線性增加，當V_gs=1.2 V時，I_d達到最大值，為23 μA。圖3中，當V_ds=0.2 V、V_gs=1.0 V時，I_d達到最大的30 μA左右；當V_gs=1.5 V時，I_d約為70 μA。圖3表明在一定的V_ds下，V_gs越大，漏電流I_d也越大。圖2中X軸為柵源電壓V_gs、單位V，Y軸為漏電流I_d，單位μA。圖3中X軸為漏源電壓V_ds，單位V，Y軸為漏電流I_d，單位μA。從圖2、圖3的仿真結果得出上述結構參數的H型NMOS的電學特性符合常規NMOS器件的電學特性，表明該H型NMOS結構是有效的。

3 H型NMOS瞬時劑量率數值模擬及分析

    為了分析上述結構的H型NMOS的瞬時劑量率效應，對該器件進行三維數值模擬，在開態下和關態下瞬時劑量率對H型NMOS器件瞬時電流的影響。開態下仿真偏置條件為漏端給定0.1 V，柵端給定1.2 V；關態下仿真偏置條件為漏端給定1.2 V，柵端置零。

    H型NMOS結構在不同劑量率輻照下的電學特性仿真，選取劑量率在1×10⁸～1×10¹⁰(Gy(Si)/s)之間7個點，從仿真結果中可以看出，不同劑量率產生的脈沖電流峰值不同，峰值隨著劑量率增大而增大，并且在峰值時間處達到最大值。瞬時劑量率效應主要影響NMOS晶體管的漏電流和體接觸端電流，從而導致晶體管邏輯狀態的變化。因此，NMOS瞬時劑量率效應仿真主要關注其輻照前后漏電流及體接觸電流的大小變化。

3.1 開態NMOS瞬時劑量率仿真

    通過三維數值模擬，H型NMOS器件開態瞬時輻照下漏端電流變化如圖4所示，體接觸端電流變化如圖5所示，圖4中X軸為瞬態持續時間，單位μs，Y軸為漏端瞬時電流變化ΔI_d，單位μA；圖5中X軸為瞬態持續時間，單位μs，Y軸為體接觸端瞬時電流變化ΔI_sub，單位nA。瞬時電流持續時間約為2 μs。三維仿真時，由于SOI器件的體接觸有效接出，瞬時輻照下器件瞬時電流恢復時間只有數微秒。

    H型NMOS在開態時漏電流變化率和體接觸端電流峰值如表1所示。

3.2 關態NMOS瞬時劑量率仿真

    通過三維數值模擬，H型NMOS在關態時漏電流變化和體接觸端電流峰值如表2所示。

    從H型NMOS開態和關態時瞬時劑量率輻射引起的漏電流和體接觸端電流的仿真數據上來看，當劑量率達到1×109 Gy(Si)/s時，漏電流變化量為13 nA，體接觸電流峰值為26 nA，器件在給定輻照條件下產生的光電流數量級很小，由光電流引起的器件影響也很小。

4 結論

    瞬時條件下在器件內部產生電子-空穴對，p型體區中空穴積累引起浮體效應，引入p型體接觸端作為空穴排泄通道；n型體區中積累電子電荷引起浮體效應，引入n型體接觸端作為電子排泄通道。因為瞬時劑量率輻射產生的空穴和電子主要積累在體區下方，在電場的作用下大部分空穴/電子從體接觸端排出，以達到抗瞬時輻照的效果。

    光電流的產生不僅與輻射入射條件有關，還與器件的結構、尺寸、體接觸端距離有關。從NMOS器件的三維仿真數據看出，上述結構H型NMOS器件在劑量率小于5×10⁹ rad(Si)/s的輻照條件下產生的光電流為幾十納安，對器件影響很小。從NMOS三維數值模擬可以得出：尺寸越小產生的光電流越少，體接觸與體區距離越小，光電流排泄效果越好，即抗瞬時輻射性能越好。

    本文通過三維數值模擬，定量分析了不同瞬時劑量率輻射下的H型NMOS產生光電流大小及變化趨勢，為研究0.13 μm SOI工藝下H型NMOS瞬時輻射效應提供了參考。

參考文獻

[1] 胡志良，賀朝會，張國和，等.超深亞微米SOI NMOSFET中子輻照應數值模擬[J].原子能科學技術，2011，45(4)：456-460.

[2] 陳偉，丁李利，郭曉強.半導體器件輻射效應數值模擬技術研究現狀與發展趨勢[J].抗核加固，2016，33(3)：2-7.

[3] 郭曉強，郭紅霞，王桂珍，等.隨機靜態存儲器低能中子單粒子翻轉效應[J].強激光與粒子束，2009，21(10)：1547-1550.

[4] GRANLUND T，OLSSON N.SEUs induced by thermal to high-energy neutrons in SRAMs[J].IEEE Transactions on Nuclear Science，2006，53(6)：3798-3802.

[5] LAMBERT D，BAGGIO J，FERLET-CAVROIS V，et al.Neutron-induced SEU in bulk SRAMs in terrestrial environment：simulations and experiments[J].IEEE Transactions on Nuclear Science，2004，51(6)：3435-3441.

[6] FLAMENT O，BAGGIO J，D′HOSE C，et al.14MeV Neutron-Induced SEU in SRAM devices[J].IEEE Transactions on Nuclear Science，2004，51(5)：2908-2911.

[7] NIKIFOROV A Y，CHUMAKOV A I，SKOROBOGATOV O.CMOS IC transient radiation effects investigations,model verification and parameter extraction with the test structures laser simulation tests[C].Proceedings of 1996 IEEE International Conference on Microelectronic Test Structures，1996，l9：253-258.

[8] FERLET-CAVROIS V，DUPONT-NIVET E，VILDEVIL J C，et al.Transient radiation effects in CMOS/SOI transistors and circuits[C].RADECS 97.IEEE，1997.

[9] GARDIC F，MUSSEAU O，FLAMENT O，et al.Analysis of local and global transient effects in a CMOS SRAM[C].IEEE Proceedings of the Third European Conference on Radiation and Its Effects on Components and Systems，1996：346-353.

[10] DOZIER C M，BROWN D B，SANDELIN J W，et al.Dose and dose rate dependence of 8080A microprocessor failures[J].IEEE Transactions on Nuclear Science，1980，27(4)：1299-1304.

[11] 李同德，趙元富，王亮，等.多電壓集成電路的瞬時劑量率輻射效應試驗研究[J].電子技術應用，2017，43(1)：6-9.

[12] 劉家齊，趙元富，王亮，等.65 nm反相器單粒子瞬態脈寬分布的多峰值現象[J].電子技術應用，2017，43(1)：20-23.

[13] 劉文平.硅半導體器件輻射效應及加固技術[M].北京：科學出版社，2013.

作者信息:

薛海衛1，張猛華1，楊光安2

(1.中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇 無錫214035；2.東南大學，江蘇 南京210001)