基于01μm+PDSOI工艺的射频MOS器件电离总剂量辐照效应研究

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1、第十届全国抗辐射电子学与电磁脉冲学术年会论文集基于O．1gmPDS0I工艺的射频MOS器件电离总剂量辐照效应研究：刘梦新刘刚卜建辉范雪梅毕津顺赵发展韩郑生(中国科学院微电子研究所北京100029)摘要研制了一种与O．1lamSOlCMOS工艺兼容的射频PDSOlNMOSFET，并分析了电离总剂量辐照对四种不同结构射频器件的静态特性和频率特性的影响，分别包括前，背栅阙值、泄漏电流、跨导，输出特性以及交流小信号电流增益和最大有效／稳定增益。实验表明，在室温环境下经过总剂量为1Mrad(Si)的Y射线辐照，各射频PDSOINMOSFET的静态和射频特性均表现出明显退

2、化，其中以浮体NMOSFET变化最大。虽然损失了部分驱动电流、开关速度和高频特性，LBBC型体接触结构的射频器件仍表现出优于GBBC和BTS型体接触结构的射频器件的抗电离总剂量辐照的能力。关键词部分耗尽SOl电离总剂量辐照射频近些年来，射频技术在当今各个领域得到广泛应用【¨，如：高速语音、数据、图文与图像传输、蜂窝式个人通信与基站、低轨道卫星移动通信、无线局域网、无线接入系统(包括蓝牙)、全球卫星定位系统、卫星直播电视和多点多址分布系统等。权衡系统性能、集成度及制造成本等多种因素，典型的商用无线收发机采用包括CMOS、BiCMOS、BJT、GaAsFET及HB

3、T的混合技术。但是，在同一系统中使用多种技术，带来许多问题：信号需要在不同工艺模块的芯片之间出入，系统设计必须考虑驱动和匹配问题；增加了系统功耗和噪声；使系统结构复杂，性能下降；系统体积和成本都大大增加等。随着无线通信技术的迅速发展，提高无线收发系统的集成度，已经成为一个十分迫切的任务。SOI技术以其独特的材料器件结构[2,31利用隐埋氧化层将MOS器件的源区和漏区与衬底完全隔离，SOI技术可显著降低减器件的寄生电容和衬底射频功率损耗，消除衬底带来的串扰和闩锁效应，并且在SOl衬底上制造LDMOS功率器件可以获得更高的增益和带宽，同时基于SOI衬底可以更容易的

4、实现高阻衬底，从而制造出具有高品质因子的无源器件I删。另外，因其具有对高能粒子入射引起的单粒子翻转效应和高剂量率瞬态辐照效应具有天然的免疫力，SOl器件和电路也广泛的应用于恶劣的辐射环境下工作的电子系统中。但由于其本身存在的同有缺陷，如易受到浮体效应、自加热效应以及电离总剂量辐照的影响[7-91，限制了SOI技术在射频领域内更广泛的应用。本文正是针对上述问题，开展了针对不同结构的射频PDSOINMOS器件电离总剂量辐照效应研究。1样品及试验设置试验中所采用的射频PDSOIMOS器件是基于中国科学院微电子研究所开发的O．1p．mCMOS工艺平台制备的，具体器件参

5、数如下：箱％}国抗％射}“f学b电《脉冲{丰年e论立浆●衬底SIMOX品吲，P-type<100>．10～20Q．％i=200nmtBOX-400nm；●器州类型RELDDNMOS：●特征尺寸k，6rm，LOCOS隔离．W／L=20pm／025¨m；●器制结构浮体、栅侧面伴j『出(GBBC)、巾fⅢ单条紧密体0『出(BTS)和低势垒体0。{；(IBBC具体结构示恿型如幽1所玳．口口豹aftⅣ。印Hn。j—FIoatBod)HIosGLIB('NMOS离鬯闺国目lRFPDSOINMOS版跨&沿AⅣ＆∞剖自吲试验中所秉埘的嚣忭实拍阁如图2所示霜目2#仆管芯照片测试

6、仪器：利朋Keihhley4200SemiconductorCharacterizationSystem和Agilent8510CVectorNetworkAnalyzer对辐照姐后的射频器柑进行静态丰¨射频S参数测量，将披Ⅻ』器件和0pen结构的S参数转化为y参数后相减，所得差值再转按为S参数，殷测试范隅的上艘频幸接删．20dOldec的斜率进行外差，从0dB增益处读取fr和nmx辐照环境co一60y放射源．荆昔率203rad(Siys，总剂量1Mmd(Si)。基于O．ImmPDSOI工艺的射频MOS器件电离总剂量辐照效应研究3结果与讨论3．1静态特性图3给

7、出了RFLDDNMOS在不同漏压偏置下的前栅亚阈值特性曲线。辐照后，各类器件均表现出明显的阈值电压抬升和亚阈值斜率增大，并随着后续的室温退火过程持续增加至饱和。这主要是由于电离辐照在前栅氧化层中产生界面和边缘陷阱导致的。MOS器件中的栅氧化物以及隔离氧化物对辐照最为敏感，电离总剂量辐照会在氧化物中产生大量的显正电性的氧化物陷阱电荷和显负电性的界面和边缘陷阱电荷。对于我们的薄栅射频MOS器件来说，栅氧化层中产生的氧化物陷阱电荷很容易被多晶硅栅或Si／Si02界面隧穿或Si02价带中热发射过来的电子中和，所以其中的陷阱电荷多为界面或边缘陷阱，并随着时间的推移有所增

8、加。它们会引起前栅的阈值电压和亚阈值斜