0 引言

    在核爆情况下，产生瞬时辐射主要有X射线、γ射线的总剂量辐射、剂量率辐射及中子辐射。瞬时剂量率辐射作用时间一般在几秒内，在电子系统内引起瞬时损伤，严重时会使电子器件功能紊乱甚至烧毁。因此，研究电子器件在核辐射环境下的瞬时剂量率效应十分重要，是进行电路抗瞬时剂量率辐射加固设计的基础。近年来，国内外对MOS电子器件的中子数值模拟、中子导致翻转等核辐射效应进行了研究，并发表了一些代表性成果^[1-6]；国外对CMOS器件及电路的瞬时辐射效应研究也有相关的文献报道^[7-12]。本文基于0.13 μm SOI工艺的H型NMOS器件模型，通过TCAD软件进行三维数值模拟，得到了不同剂量率辐射条件下NMOS漏端电流和体接触电流的数值变化，量化了MOS器件的瞬时剂量率辐射效应的表征参数，为超大规模集成电路抗瞬时剂量率加固设计提供了数值依据。

1 SOI器件瞬时辐射剂量率效应

    SOI器件可消除体硅CMOS电路的寄生闩锁效应，并具有较强的抗瞬时辐射能力，广泛应用于抗核辐射领域的电子元器件中。SOI器件的瞬时剂量率效应是指暴露于脉冲γ射线辐射的半导体SOI器件所表现出的电离辐射损伤，其机理是瞬时电离脉冲辐射在半导体材料中激发电子－空穴对，这些光生载流子在被器件收集的过程中产生瞬时光电流。当辐射剂量率较大时光电流可能等于甚至大于器件本身的电流信号，导致器件性能退化甚至失效。当γ射线射入半导体材料，部分光子能量被材料吸收和引起电离，激励出电子，且在材料内产生空穴-电子对。在硅中，约3.6 eV的能量产生一个空穴-电子对。假如产生空穴-电子对的区域内存在电场，或者该区的附近存在电场，且电场的方向与PN结势垒的方向一致，这时空穴和电子就被电场扫出，引起光电流流动^[13]。

2 H型NMOS器件模型及电学仿真

2.1 H型NMOS器件模型

    常用的抗辐射SOI NMOS器件结构有H栅结构、T栅结构、BTS栅结构及条栅结构等，H型栅结构带有两个对称分布、连接到地的体接触点，是抗辐射设计采用最多的一种结构。

    本文研究的0.13 μm SOI工艺H型NMOS的物理参数为沟长W_g为0.13 μm，沟宽L₁为0.8 μm，源漏宽度W₁为0.4 μm。图1为H型NMOS器件的三维结构图，图中X轴代表器件的沟长方向尺寸，Y轴代表器件的沟宽方向尺寸，Z轴代表器件的表面深度。

    图1中，H型栅的引出端宽度W₃为0.15 μm，体接触区域W₂为0.41 μm，体接触宽度为0.2 μm，体接触到引出端距离为0.21 μm。H型NMOS的栅极掺杂浓度为3×10²⁰/cm3，沟道掺杂浓度为2×10¹⁷/cm3(沟道表面)，N+区掺杂浓度为32.5×10²⁰/cm3(N+区表面)。

2.2 H型NMOS的电学特性仿真

    对上述结构参数的H型NMOS器件电学特性进行仿真，通过漏端给定0.1 V偏压，对栅端在0～1.2 V电压范围内进行扫描得到NMOS的I_d-V_gs曲线；通过栅端分别给定0.5 V、1 V、1.5 V、2 V偏压，对漏端在0～1.2 V电压范围内进行扫描得到I_d-V_ds曲线。曲线图分别如图2、图3所示，器件阈值电压Vth为0.35 V。

    图2表明漏端电流I_d随着V_gs的增加而线性增加，当V_gs=1.2 V时，I_d达到最大值，为23 μA。图3中，当V_ds=0.2 V、V_gs=1.0 V时，I_d达到最大的30 μA左右；当V_gs=1.5 V时，I_d约为70 μA。图3表明在一定的V_ds下，V_gs越大，漏电流I_d也越大。图2中X轴为栅源电压V_gs、单位V，Y轴为漏电流I_d，单位μA。图3中X轴为漏源电压V_ds，单位V，Y轴为漏电流I_d，单位μA。从图2、图3的仿真结果得出上述结构参数的H型NMOS的电学特性符合常规NMOS器件的电学特性，表明该H型NMOS结构是有效的。

3 H型NMOS瞬时剂量率数值模拟及分析

    为了分析上述结构的H型NMOS的瞬时剂量率效应，对该器件进行三维数值模拟，在开态下和关态下瞬时剂量率对H型NMOS器件瞬时电流的影响。开态下仿真偏置条件为漏端给定0.1 V，栅端给定1.2 V；关态下仿真偏置条件为漏端给定1.2 V，栅端置零。

    H型NMOS结构在不同剂量率辐照下的电学特性仿真，选取剂量率在1×10⁸～1×10¹⁰(Gy(Si)/s)之间7个点，从仿真结果中可以看出，不同剂量率产生的脉冲电流峰值不同，峰值随着剂量率增大而增大，并且在峰值时间处达到最大值。瞬时剂量率效应主要影响NMOS晶体管的漏电流和体接触端电流，从而导致晶体管逻辑状态的变化。因此，NMOS瞬时剂量率效应仿真主要关注其辐照前后漏电流及体接触电流的大小变化。

3.1 开态NMOS瞬时剂量率仿真

    通过三维数值模拟，H型NMOS器件开态瞬时辐照下漏端电流变化如图4所示，体接触端电流变化如图5所示，图4中X轴为瞬态持续时间，单位μs，Y轴为漏端瞬时电流变化ΔI_d，单位μA；图5中X轴为瞬态持续时间，单位μs，Y轴为体接触端瞬时电流变化ΔI_sub，单位nA。瞬时电流持续时间约为2 μs。三维仿真时，由于SOI器件的体接触有效接出，瞬时辐照下器件瞬时电流恢复时间只有数微秒。

    H型NMOS在开态时漏电流变化率和体接触端电流峰值如表1所示。

3.2 关态NMOS瞬时剂量率仿真

    通过三维数值模拟，H型NMOS在关态时漏电流变化和体接触端电流峰值如表2所示。

    从H型NMOS开态和关态时瞬时剂量率辐射引起的漏电流和体接触端电流的仿真数据上来看，当剂量率达到1×109 Gy(Si)/s时，漏电流变化量为13 nA，体接触电流峰值为26 nA，器件在给定辐照条件下产生的光电流数量级很小，由光电流引起的器件影响也很小。

4 结论

    瞬时条件下在器件内部产生电子-空穴对，p型体区中空穴积累引起浮体效应，引入p型体接触端作为空穴排泄通道；n型体区中积累电子电荷引起浮体效应，引入n型体接触端作为电子排泄通道。因为瞬时剂量率辐射产生的空穴和电子主要积累在体区下方，在电场的作用下大部分空穴/电子从体接触端排出，以达到抗瞬时辐照的效果。

    光电流的产生不仅与辐射入射条件有关，还与器件的结构、尺寸、体接触端距离有关。从NMOS器件的三维仿真数据看出，上述结构H型NMOS器件在剂量率小于5×10⁹ rad(Si)/s的辐照条件下产生的光电流为几十纳安，对器件影响很小。从NMOS三维数值模拟可以得出：尺寸越小产生的光电流越少，体接触与体区距离越小，光电流排泄效果越好，即抗瞬时辐射性能越好。

    本文通过三维数值模拟，定量分析了不同瞬时剂量率辐射下的H型NMOS产生光电流大小及变化趋势，为研究0.13 μm SOI工艺下H型NMOS瞬时辐射效应提供了参考。

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作者信息:

薛海卫1，张猛华1，杨光安2

(1.中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏 无锡214035；2.东南大学，江苏 南京210001)