【摘要】：隨著我國(guó)航天航空和軍事工業(yè)的高速發(fā)展,高可靠性電子元器件和集成電路在其中的重要性日漸突出,抗輻照設(shè)計(jì)的重要性越來越突出了。SOI(Silicon-onInsulator)技術(shù)作為摩爾定律繼續(xù)推進(jìn)的重要方向之一,在誕生初期就在抗輻照方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。本文主要研究了總劑量和單粒子輻射下的SOI器件特性,為進(jìn)一步設(shè)計(jì)抗輻照電路提供理論基礎(chǔ),本文研究的主要內(nèi)容包括:本文主要基于Synopsys Sentaurus TCAD工具,根據(jù)工程的需要,首先建立了TSMC 130nm體硅CMOS器件結(jié)構(gòu)。根據(jù)該器件結(jié)構(gòu)構(gòu)建SOI NMOS器件模型,根據(jù)溝道耗盡情況可以把SOI器件分成FD(Fully-Depleted)SOI和PD(PartiallyDepleted)SOI兩種。其中對(duì)于PD SOI器件,采用了BTS(Body Tied Source)和H型柵兩種體接觸方式來抑制體效應(yīng),對(duì)比了不同器件在輻照前的器件特性。接著基于總劑量效應(yīng),利用固定電荷模型對(duì)其進(jìn)行建模,對(duì)構(gòu)建的器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行總劑量輻照仿真。數(shù)值仿真結(jié)果表明在采用相同的源漏結(jié)構(gòu)時(shí),在總劑量輻照以后SOI器件泄漏電流明顯增大,跨導(dǎo)退化和閾值電壓漂移加重。仿真結(jié)果同時(shí)顯示了,在同樣的輻照條件下,FD SOI器件的閾值電壓退化更加明顯。對(duì)于PD SOI器件,采用H型柵結(jié)構(gòu)不僅能夠有效的抑制體效應(yīng)提高器件跨導(dǎo),而且能夠提高PD SOI器件的抗輻照能力。同樣,BTS結(jié)構(gòu)在一定程度上提高器件的抗總劑量輻照能力。最后利用Sentaurus中的單粒子模型,研究了重粒子入射對(duì)不同結(jié)構(gòu)的SOI器件的物理過程。研究不同因素對(duì)單粒子效應(yīng)的影響,包括了單粒子入射位置、單粒子入射角度、漏端電壓大小、體接觸方式、總劑量效應(yīng)等對(duì)單粒子瞬態(tài)電流的影響。通過器件仿真,對(duì)漏斗電荷模型進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示,相對(duì)于體硅器件,SOI器件的漏極電流更低,漏極收集的電荷也相應(yīng)降低,尤其是FD SOI器件,抗單粒子效應(yīng)能力明細(xì)提高了。在電路應(yīng)用中,考慮到空間輻射的復(fù)雜性,在電路設(shè)計(jì)時(shí)需要需要同時(shí)考慮總劑量和單粒子輻射。從反相器仿真結(jié)果來看,SOI反相器邏輯翻轉(zhuǎn)的幾率要遠(yuǎn)小于體硅CMOS反相器,而FD SOI反相器要優(yōu)于PD SOI反相器,在幾種PD SOI反相器中,H型柵SOI反相器抗輻射能力最強(qiáng)。
[Abstract]:With the rapid development of aerospace and military industry in China, the importance of high reliability electronic components and integrated circuits is becoming more and more important. The importance of anti-irradiation design has become more and more important. SOI (Silicon-onInsulator) technology, as one of the important directions of Moore's law, has a unique advantage in the field of radiation resistance in the early stage of its birth. In this paper, the characteristics of SOI devices under total dose and single particle radiation are studied. The main contents of this paper are as follows: based on Synopsys Sentaurus TCAD tools and engineering requirements, the main contents of this paper are as follows: Firstly, the structure of TSMC 130nm bulk silicon CMOS device is established. According to the structure of SOI NMOS device model, the SOI device can be divided into FD (Fully-Depleted) SOI and PD (PartiallyDepleted) SOI according to channel depletion. For PD SOI devices, BTS (Body Tied Source) and H-gate contact methods are used to suppress the bulk effect, and the characteristics of different devices before irradiation are compared. Then, based on the total dose effect, the fixed charge model is used to model the device structure, and the total dose irradiation simulation is carried out. Numerical simulation results show that the leakage current, transconductance degradation and threshold voltage drift of SOI devices increase obviously after total dose irradiation with the same source-drain structure. The simulation results also show that the threshold voltage degradation of FD SOI devices is more obvious under the same irradiation conditions. For PD SOI devices, H-gate structure can not only effectively suppress the bulk effect and improve the transconductance of PD SOI devices, but also improve the radiation resistance of PD SOI devices. At the same time, the BTS structure improves the total dose radiation resistance of the device to a certain extent. Finally, the physical process of heavy particle incident on SOI devices with different structures is studied by using the single particle model in Sentaurus. The effects of different factors on the single particle effect, including the incident position of single particle, the incident angle of single particle, the voltage of leakage terminal, the contact mode and the total dose effect, are studied. The model of funnel charge is studied by device simulation. The results show that compared with bulk silicon devices, the drain current is lower and the charge collected by drain is lower. Especially for FD SOI devices, the ability to resist single particle effect is improved. In the circuit application, considering the complexity of space radiation, the total dose and single particle radiation should be considered in the circuit design. According to the simulation results, the probability of logic inversion of CMOS inverters is much lower than that of bulk silicon CMOS inverters, while the FD SOI inverters are superior to PD SOI inverters. Among several PD SOI inverters, the H-gate SOI inverters have the strongest anti-radiation capability.
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TN303

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本文編號(hào)：2173142