1.4 总剂量效应

1.4.1 体硅器件的总剂量效应

对体硅 MOSFET 总剂量效应的研究，最早是由 NRL 实验室的 Giroux 和Hughes 进行的^[167]。研究指出，在辐射环境下，N 型和 P 型 MOSFET 的栅氧层均会积累大量的陷阱电荷，从而影响器件的电学特性，且随着辐射剂量的升高，器件的电学特性会进一步恶化。20 世纪 70 年代初，研究人员在实验过程中将MOSFET 置于由 γ 射线、α 射线组成的辐射环境下，旨在研究复杂辐射环境引发的电荷积累效应对器件性能的影响。结果表明，辐射引发的栅氧层陷阱电荷对器件的阈值电压和跨导都有严重的影响，会大大降低器件的性能^[168-173]。

1972年，Naval实验室的研究人员发现，晶格缺陷密度直接影响了氧化层在辐射环境下对辐射感生电荷的俘获能力，这一发现是研究史上的一项重大突破，有助于对 MOS 器件的辐射效应进行更深入的研究。在 1980 年左右，MOSFET的结构发生了变化，传统的栅极材料由铝变成多晶硅，尽管这一变化带来了诸多优势，但也存在一些缺点，例如对于多晶硅栅工艺，器件的版图设计也成为集成电路加固中需要考虑的一个重要因素^{[9，174-175]}。在这一时期，硅局部氧化隔离（Local Oxidation of Silicon，LOCOS）技术是集成电路制造工艺中普遍采用的隔离技术，但 LOCOS 技术生成的隔离层在器件沟道宽度方向存在横向入侵，即鸟嘴效应，而鸟嘴区对总剂量效应十分敏感^[175-176]。

20 世纪 90 年代，辐射加固的重点研究对象变为深亚微米 CMOS 集成电路，到21世纪初，半导体技术节点已发展至0.13μm以下，研究重点又变为采用浅沟槽隔离层STI的深亚微米CMOS集成电路。在0.13μm技术节点下，MOSFET栅氧层的厚度已减小到 10nm 以下，所以栅氧层不再是产生总剂量效应的主要因素。与栅氧层相比，STI 结构具有更大的物理尺寸，成为影响器件总剂量效应的主要因素^[177-178]。现代集成电路制造工艺主要使用 STI 作为器件的隔离层，主要原因是STI结构能够大大提高芯片集成度和隔离层质量，同时能够降低器件内部的结构应力，使得鸟嘴效应更小^[176]。虽然与LOCOS技术相比，STI技术拥有上述诸多优势，但是针对STI结构总剂量效应的研究表明，辐射效应仍然能够对集成电路产生很大的危害^[178]。

1.4.2 SOI器件的总剂量效应

SOI 技术^[179]是指在传统的硅衬底表面之下引入一层 SiO₂氧化层，即埋氧层。埋氧层可将衬底与器件有效地隔离开来，在减轻器件体效应的同时，可有效地抑制传统体硅工艺器件中存在的闩锁效应和寄生效应。SOI 不仅提高了器件性能，而且有效地降低了器件功耗，已成为延续摩尔定律的主要动力。

针对 SOI 工艺器件各种辐射效应的研究也受到了国内外的普遍重视^[180]。在传统体硅器件中，高能粒子沿入射轨迹产生的大量电子-空穴对都有可能被器件敏感区（如隔离衬底与器件的反偏 PN 结）收集，因此可收集的电荷量非常大，使得体硅器件对单粒子效应十分敏感^[181]。而在 SOI 工艺器件中，埋氧层将外延层与衬底完全隔离开来，使得辐射感生电荷的收集范围被限制在外延层中，因而器件可收集的电荷量大大降低，降低了 SOI 器件对单粒子效应的敏感性，这一特性使得SOI技术在辐射环境下的应用极具优势^{[70-71，182-183]}。

尽管 SOI 工艺在抗单粒子效应方面比体硅工艺具有更多的先天优势，但也面临着一些独有的问题。普通 SOI 器件与体硅器件相比，主要区别在于较小的寄生电容和浮体效应^[184-187]。浮体效应是由器件与衬底的高度隔离引起的，在SOI器件的沟道内，由碰撞电离产生的空穴会沿着沟道/埋氧层界面向器件源极移动，由于源极势垒的存在，空穴会在其附近大量积累，产生一系列影响，主要包括扭结效应（kink 效应）^[188-189]、负电导、单管闩锁等。SOI 器件的浮体效应可通过引入体接触（body-tie）结构或采用新型的全耗尽SOI（Fully-Depleted SOI，FD-SOI）^[190]结构予以减轻或消除。

相比于体硅 CMOS 器件，SOI 器件中的总剂量效应变得更为复杂。在0.13μm以下的体硅器件中，STI结构中陷阱电荷的积累是器件发生总剂量效应的主要因素。而在 SOI 器件中，除了 STI 结构，埋氧层陷阱电荷的积累也成为诱发器件总剂量效应的主要原因之一^[178]。Jenkins 等人的研究发现，埋氧层中的陷阱电荷会通过耦合效应对器件的阈值电压、关态漏电流、亚阈值摆幅等电学特性造成不良影响，不仅提高了器件的静态功耗，而且使得器件的开关特性变差^[191]。Adell通过研究发现，FD-SOI器件中的遂穿效应会进一步增强器件的关态漏电流^[192]。Mamouni 等人研究了栅长、漏极偏置条件对 SOI 器件总剂量效应的影响，研究发现，埋氧层陷阱电荷的积累会增大器件的关态漏电流，且随着栅长的减小，关态漏电流的增量会随之增大^[193]。Paillet 等人研究了在相同辐射环境下，不同偏置条件对 FD-SOI 器件总剂量效应的影响，并且指出传输门（Transmission-Gate，TG）偏置条件为最劣条件，在 TG 偏置条件下，器件性能退化远高于零偏条件的退化^[194]。Rezzak 研究了沟道掺杂浓度对 SOI 器件总剂量效应的影响，结果表明适当增大沟道掺杂浓度可以降低器件对总剂量效应的敏感性^[195]。Gaillardin 重点研究了超薄体/埋氧层（Ultra-Thin Body and Buried Oxide，UTBB）FD-SOI 器件的总剂量效应，并且提出了一种基于背栅偏置的加固技术^[180，196]，但未给出背栅电压与辐射剂量之间的关系及埋氧层厚度对这一加固方法有效性的影响。