浅槽隔离氧化物电离辐射陷阱电荷剂量率效应机制

Deep submicron and nano scale MOS devices are important for high performance spacecraft electronic systems. However, total ionizing dose radiation effects of these devices will threaten the reliability and lifetime of spacecraft, while ionizing radiation induced charge trapped in shallow trench isolation (STI) is the most critical factor of total dose damages. Dose-rate of STI trapped charge will result in different radiation damages of MOS devices under various dose rates, challenging the existing evaluation method of device anti-radiation performance. The cognition of mechanisms of radiation induced charge trapped in STI is very limited up to now, which can not provide effective guide for test standard and evaluation method. In this project, we will choose STI device as research object, designing special experiments method to research the formation of trapped charges, establishing effective simulation method to characterize the charge, discuss the generation, reaction, and annealing process of trapped charge in STI with different dose rate irradiation, and analyze the key issue of affect of oxide space charge and interface traps on the trapped charge distribution. Base on the above, we can obtain the rule of dose-rate effect, and reveal the mechanisms of STI trapped charge dose-rate effect. The research results will enrich the electronics radiation effects theory, provide references for MOS device radiation effect research and effective test standard establishment, and are very important to device anti-radiation evaluation and radiation study development.

深亚微米、纳米级MOS器件是高性能航天器电子系统的重要需求，但其电离总剂量辐射效应极大威胁航天器可靠性和寿命，浅槽隔离氧化物（STI）电离辐射陷阱电荷是其总剂量辐射损伤的最关键因素。STI辐射陷阱电荷的剂量率效应会导致器件不同剂量率辐射损伤差异，对现有抗辐射能力评估方法带来挑战。目前对其剂量率效应机制的认知有限，不能有效指导测试标准和评估方法。本项目拟选取浅槽隔离器件为研究对象，设计针对辐射陷阱电荷形成过程的特殊试验研究方法，建立有效表征陷阱电荷的仿真方法，深入探讨不同剂量率辐照下STI辐射陷阱电荷产生、反应、退火过程，分析氧化物空间电场和界面陷阱电荷对辐射陷阱电荷形成和分布影响的关键问题，获得其剂量率效应规律，揭示STI辐射陷阱电荷剂量率效应机制。研究成果将丰富电子器件辐射效应理论，为MOS器件辐射效应研究和建立有效测试标准提供依据，对器件抗辐射性能评估和辐射效应研究发展具有重要意义。

航天器运行在宇宙空间高能射线粒子的辐射环境中，射线粒子的辐射效应会导致电子系统中元器件性能下降甚至失效，严重威胁航天器安全。电离总剂量辐射效应（以下简称总剂量效应）是其中一种重要的辐射损伤效应，且不能通过冗余、重新上电等方式来避免或恢复，决定了航天器的服役寿命。由于总剂量效应的产生部位为半导体器件中的氧化物，因此几乎影响所有的MOS、双极等器件。CMOS技术发展至微纳米，不仅带来了速度、功耗等方面的优势，超薄的栅介质也使其具有相比以往器件的更高的抗总剂量能力，但其浅槽隔离（STI）氧化物是产生总剂量辐照陷阱电荷的重要部位，同时也是器件存在低剂量率辐射损伤增强（ELDRS）可能性的重要原因，为目前CMOS器件的评估方法带来了挑战。虽然，科研人员陆续发现一些工艺的微纳米器件的ELDRS效应，但是有限的数据及机理解释不能指导测试方法及评估标准。因此，本项目对浅槽隔离氧化物电离辐射陷阱电荷的剂量率效应及机制开展了研究，获得了180 nm、130 nm、90 nm、65 nm工艺的一些CMOS器件的剂量率效应规律：180 nm体硅工艺的静态随机存储器（SRAM）和晶体管均具有一定程度的ELDRS，然而其他工艺的分立晶体管或者晶体管阵列、SRAM在一定剂量率和总剂量范围并没有出现可判定的ELDRS。针对180 nm工艺器件，结合仿真的方法，分析了CMOS器件ELDRS现象产生的原因：STI中的辐射陷阱电荷会引起CMOS器件的剂量率效应，STI上半部分表现为时间相关效应，STI的下半部分表现为低剂量率辐射损伤增强效应，辐照剂量率越低，该部分产生的氧化物陷阱电荷数量越多。但同时随着辐照剂量率的下降，辐照时间增加，退火对氧化物陷阱电荷的恢复作用增强，在二者的综合作用下，辐照导致的晶体管关态泄漏电流表现为随剂量率的下降先升上后下降，存在一个辐射损伤最强的剂量率点。本项目的研究成果，为深入理解CMOS器件的剂量率效应，以及CMOS器件的ELDRS的现象和原因提供了重要依据，为CMOS器件抗总剂量能力准确评估提供了重要支撑。