MOS器件总剂量效应敏感参数及其损伤阈值的概率模型分析

　　电子系统在空间应用日益广泛,系统工程师为了保证所设计的电子系统在空间辐射环境中正常工作,必须要对系统及其内部的电子元器件的抗辐射能力进行评估,求得电子器件特别是CMOS器件在空间辐射环境中的生存概率。本文以60Co作为辐射源,对一定样本量的特征工艺尺寸0.6μm CMOS器件进行了总剂量试验,测量了器件的辐射效应。建立了辐照效应实验数据统计处理方法和数理检验方法,分析了N型MOS关态漏电流的失效阈值符合的概率模型,在国内较早地给出了在不同辐照剂量下N型MOS的敏感参数的概率模型,分析了器件敏感参数的概率分布随辐照剂量增加的变化趋势及其影响。

　　1　试验方法与原理

　　开展了0.6μm工艺N型和P型MOS的60Co稳态剂量效应试验,N型MOS宽长比(W/L)为5.86μm/0.6μm。本试验所用的MOS器件均采用同一片衬底,源区和衬底分开,端口都具有ESD保护,单管静态漏电电流小于10nA。在不同的偏置条件下对该MOS器件进行了总剂量辐照,辐照偏置为MOS的最劣偏置即导通偏置[1],VSS=0V,VG=5V,VD=0V,VS=0V。

　　最劣偏置条件下,选择30只器件进行60Co电离辐照。总剂量辐照后,测量器件的两个敏感参数,即关态漏电流和阈值电压,关态漏电流是指NMOS器件的漏源偏置VDS为0.1V,栅源偏置VGS为0V时的源端电流。试验发现0.6μm工艺的MOS受电离辐照后,阈值电压漂移不明显,而关态漏电流对电离辐照非常敏感。MOS的关态漏电流随辐照总剂量增加而增大,如图1所示。

　　这是因为0.6μm工艺的栅氧层已足够薄,受辐照后产生的陷阱电荷对阈值电压的影响有限,而由于LOCOS(场氧隔离)的鸟嘴效应引起的关态漏电流明显增加[2],可见关态漏电流是MOS器件总剂量效应的敏感参数,LOCOS引起总剂量辐照关态漏电流增大的原理如图2所示：

　　2　概率模型的建立方法

　　建立一组数据的概率模型,首先要假设试验数据符合几种不同的已知概率模型,分别求出这几种概率模型的参数,然后利用某种方法检验各种概率模型与试验数据符合程度,符合更好的概率模型就是本组数据符合的概率模型。本文中的概率模型建立均是利用MAT-LAB完成,处理试验数据分以下几个步骤:

　　首先估计试验数据可能符合的几种概率模型的参数。通常的做法是画出试验数据的直方图,数据处理人员要从直方图中,推测出试验数据可能符合的几种概率模型。一般总剂量试验数据可能符合的概率模型包括正态分布、对数正态分布以及威布尔分布。利用MATLAB概率模型拟和函数来求解这几种概率模型的参数。

　　正态密度函数:

　　对数正态密度函数: