总电离剂量效应

方法

总剂量效应是器件辐射效应的一个重要方面。器件暴露在辐射环境中一定时间后，也就是累积了一定剂量后，器件晶体管漏电流可能会增加，阈值可能漂移，亚阈值斜率可能会变化，等等。如果剂量高到一定程度，器件可能失效。

如下图，本方案的总剂量效应的仿真分为 2 步：

tid_step

  1. 电离退火仿真：从“剂量分布”到“固定电荷和表面态分布”，是电子、空穴、H$^+$ 离子、H$_2$ 分子等在绝缘体中和界面出的产生、漂移、扩散、捕获、逃逸的过程，作用时间较长（几天到几年），在算法中还需要考虑绝缘体与半导体方程求解的耦合。
  2. 器件仿真：从“固定电荷和表面态分布”到“漏电流阈值电压漂移”是电子和空穴在半导体电场下的漂移扩散运动，这是三维 TCAD 器件仿真的常规功能。

本仿真方案适用问题举例：

  • 计算氧化物中电荷和界面电荷密度
  • 分析沉积剂量的影响，电场的影响，以及时间温度等退火条件的影响
  • 仿真低剂量率增强效应

算例结果

下图给出仿真结果，图示颜色为受到 500kRad 辐射剂量后的 65nm nMOS 管硅材料中电子浓度（氧化物未被显示）。图中可以看到，由于 STI 侧壁的累积正电荷导致 nMOS 的侧壁和拐角处都有通路产生，即寄生晶体管。其中拐角处通路会导致阈值电压漂移，下侧通路会导致漏电流抬升。如下图虚线箭头所示。

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SPICE 模型

基于以上两步仿真，我们对总剂量的机理认知更未清晰，进而提出更为合理的总剂量 SPICE 模型。

加固设计

基于以上物理原理仿真，可以对总剂量效应的机理有丰富深刻的认识。比如，栅的形状对总剂量效应的影响。然后可以尝试各种新的晶体管设计来降低总剂量效应。而这些设计，又可以通过仿真来检查验证。

空间轨道总剂量预估

CRad 软件可以给出在空间某轨道工作一段时间后累积的总剂量-屏蔽厚度曲线。据此曲线可以预估器件在空间的寿命。

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