基于负衬底偏压的n型鳍式场效应晶体管及其加固方法

1.本发明属于半导体器件抗辐射技术领域，具体是一种基于负衬底偏压的n型鳍式场效应晶体管及其加固方法。


背景技术：

2.鳍式场效应晶体管(finfet)采用三维立体沟道，构成多栅控制结构，实现栅控能力的显著增强，进而抑制工艺尺寸缩减带来的短沟道效应，成为延续摩尔定律的主流技术。finfet技术的应用显著提升了超大规模集成电路的速度、功耗，使其广泛应用于中央处理器、图形处理器等高性能计算芯片领域。随着航天技术的快速发展，新一代航天任务需要实现海量数据的在轨实时、智能处理，迫切需要采用基于finfet技术的高性能集成电路。然而，空间高能粒子导致的辐射损伤是集成电路空间可靠应用面临的主要威胁。相对于平面器件，finfet技术采用新的器件结构，面临全新的辐射效应机理。
3.总剂量辐射效应是由空间质子和电子等高能粒子通过对半导体器件电离作用产生的永久性损伤。高能粒子在器件绝缘层电离产生的电子及空穴经复合、分离、输运、俘获等过程，形成氧化物电荷、界面态等陷阱电荷，使器件电性能退化。总剂量效应表现为长时间的累积损伤，是长寿命航天器面临的主要辐射效应问题。finfet特殊三维沟道的引入，使其相对于平面器件面临新的总剂量效应问题。总剂量效应在晶体管隔离氧化物内产生的陷阱电荷，使沟道两侧的寄生晶体管导通，导致器件关态漏电流上升。对于平面器件，总剂量效应产生的漏电路径，可通过环栅版图结构消除。但对于finfet器件，三维沟道结构两侧由栅介质包裹，无法形成环栅结构，目前仍缺少针对finfet器件总剂量效应加固措施。修改隔离氧化物的制造工艺流程，使其俘获陷阱电荷能力减弱是总剂量效应加固的另一种途径。但对于finfet工艺，工艺开发费用高昂，航天任务的市场需求难以支撑抗辐射finfet工艺流程的开发。为保障finfet器件在空间辐射环境的安全可靠运行，迫切需要研究不调整工艺流程的finfet总剂量效应加固方法。


技术实现要素：

4.为了克服finfet工艺抗辐射加固方法存在费用高昂的不足，本发明提出了一种基于负衬底偏压的n型鳍式场效应晶体管及其加固方法。
5.一种基于负衬底偏压的n型鳍式场效应晶体管加固方法，包括如下步骤：
6.步骤1，辐照前衬底偏置电路搭建
7.在n型鳍式场效应晶体管衬底端口与集成电路地电位之间设置电压源，用于对衬底施加负衬底偏置电压；辐照开始前，衬底偏置电压为0v。
8.步骤2，辐照中施加负衬底偏置电压抑制辐射损伤
9.对n型鳍式场效应晶体管辐照开始后，在衬底端口与集成电路地电位之间的电压源对衬底施加负电压，抑制器件辐射损伤。
10.步骤3，随着辐照剂量的增加，调整负衬底偏置电压
11.对n型鳍式场效应晶体管辐照开始后，随着辐照剂量的增加，辐射损伤增强，动态调整负衬底偏置电压值，使晶体管的关态漏电流与初始值之差小于1个数量级。
12.当负衬底偏置电压的绝对值达到晶体管额定工作电压值时，加固终止，即负衬底偏置电压的绝对值应小于晶体管额定工作电压值。
13.上述的基于负衬底偏压的n型鳍式场效应晶体管加固方法，所述步骤2辐照中施加负衬底偏置电压抑制辐射损伤，辐照剂量为100krad(si)时，负衬底偏置电压为-0.6v。
14.所述步骤3随着辐照剂量的增加，调整负衬底偏置电压，辐照剂量为300krad(si)时，负衬底偏置电压为-1.2v。
15.一种基于负衬底偏压的n型鳍式场效应晶体管，包括栅g、漏d、源s、衬底b端口，在衬底端口与集成电路地电位之间设置电压源，提供负偏置电压。
16.上述的基于负衬底偏压的n型鳍式场效应晶体管，衬底端口与集成电路地电位之间的负衬底偏置电压为动态电压，使得晶体管的关态漏电流与初始值之差小于1个数量级。
17.上述的基于负衬底偏压的n型鳍式场效应晶体管，负衬底偏置电压的绝对值小于等于晶体管额定工作电压值。
18.本发明的有益效果是：
19.一种基于负衬底偏压的n型鳍式场效应晶体管加固方法，在不改变工艺流程的情况下，通过施加负衬底偏压提升n-finfet寄生晶体管阈值电压，抑制辐照导致n-finfet寄生晶体管的提前导通，可将因辐照而上升的n-finfet关态漏电流下降2个数量级以上，使n-finfet在辐射环境下正常工作。
附图说明
20.图1为本发明原理图，其中，g为栅端口、d为漏端口、s为源端口、b为衬底端口；
21.图2为辐照剂量100krad(si)条件下，衬底负偏置电压对n-finfet器件转移特性曲线的影响；图中：1.辐照前测试曲线，衬底偏置电压为0v；2.100krad(si)剂量辐照后测试曲线，衬底偏置电压为-0.6v；3.100krad(si)剂量辐照后测试曲线，衬底偏置电压为-0.3v；4.100krad(si)剂量辐照后测试曲线，衬底偏置电压为0v；
22.图3为辐照剂量300krad(si)条件下，衬底负偏置电压对n-finfet器件转移特性曲线的影响。图中：1.辐照前测试曲线，衬底偏置电压为0v；5.300krad(si)剂量辐照后测试曲线，衬底偏置电压为-1.2v；6.300krad(si)剂量辐照后测试曲线，衬底偏置电压为-0.9v；7.300krad(si)剂量辐照后测试曲线，衬底偏置电压为-0.6v；8.300krad(si)剂量辐照后测试曲线，衬底偏置电压为-0.3v；9.300krad(si)剂量辐照后测试曲线，衬底偏置电压为0v。
具体实施方式
23.实施例1
24.一种基于负衬底偏压的n型鳍式场效应晶体管加固方法，包括如下步骤：
25.步骤1，辐照前衬底偏置电路搭建
26.本发明原理图如图1所示，n-finfet包括g、d、s、b端口，在衬底端口与集成电路地电位之间设置电压源，提供负偏置电压。辐照开始前，衬底偏压为0v。
27.步骤2，辐照中施加负衬底偏置电压抑制辐射损伤
28.辐照开始后，通过步骤1中设置的电压源对n-finfet衬底施加负电压，抑制器件辐射损伤。图2所示为辐照剂量100krad(si)条件下，衬底负偏置电压对n-finfet器件转移特性曲线的影响。被测n-finfet的额定工作电压为1.2v，测试过程中n-finfet的d、s端口的电压差固定为1.2v，在g端口施加扫描电压，g、s端电压差由-0.4v至1.2v范围内进行扫描。图中横坐标为g端扫描电压，纵坐标为d端电流。如图2所示，辐照使n-finfet关态漏电流上升2个数量级以上，而施加衬底负偏置电压可以有效减小辐照导致的关态漏电流上升。在辐照剂量100krad(si)条件下，施加-0.6v及以上的负衬底偏置电压可以将n-finfet的转移特性曲线恢复至初始值附近，关态漏电流与初始值的差异小于1个数量级。
29.步骤3，随着辐照剂量的增加，调整负衬底偏置电压
30.随着辐照剂量的增加，n-finfet的辐射损伤增强，进而需要调整负衬底偏置电压的大小，实现n-finfet辐射损伤的有效抑制。图3所示为辐照剂量300krad(si)条件下，衬底负偏置电压对n-finfet器件转移特性曲线的影响。如图3所示，施加衬底负偏置电压同样可以有效减小辐照导致的关态漏电流上升，但施加与步骤2一致的负衬底偏置电压后，n-finfet器件仍有明显的辐射损伤，衬底负偏置电压需要提升至-1.2v，才可以将n-finfet的转移特性曲线恢复至初始值附近，关态漏电流与初始值的差异小于1个数量级。不同剂量的辐照测试结果显示所施加负衬底偏置电压的值需要随辐照累积剂量进行动态调整。
31.在n-finfet的衬底施加绝对值大于器件额定工作电压的负偏置电压可以更好的抑制辐射损伤，但大电压将带来p-n结击穿的可靠性问题，为此本发明中所述负衬底偏置电压的绝对值应小于或等于器件额定工作电压值。

技术特征：
1.一种基于负衬底偏压的n型鳍式场效应晶体管加固方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，辐照前衬底偏置电路搭建：在n型鳍式场效应晶体管衬底端口与集成电路地电位之间设置电压源，用于对衬底施加负衬底偏置电压；辐照开始前，衬底偏置电压为0v；步骤2，辐照中施加负衬底偏置电压抑制辐射损伤：对n型鳍式场效应晶体管辐照开始后，在衬底端口与集成电路地电位之间的电压源对衬底施加负衬底偏置电压，抑制器件辐射损伤；步骤3，随着辐照剂量的增加，调整负衬底偏置电压：对n型鳍式场效应晶体管辐照开始后，随着辐照剂量的增加，辐射损伤增强，动态调整负衬底偏置电压值，使晶体管的关态漏电流与初始值之差小于1个数量级；当负衬底偏置电压的绝对值达到晶体管额定工作电压值时，加固终止，即负衬底偏置电压的绝对值应小于晶体管额定工作电压值。2.根据权利要求1所述的基于负衬底偏压的n型鳍式场效应晶体管加固方法，其特征在于，所述步骤2辐照中施加负衬底偏置电压抑制辐射损伤，辐照剂量为100krad(si)时，负衬底偏置电压为-0.6v；所述步骤3随着辐照剂量的增加，调整负衬底偏置电压，辐照剂量为300krad(si)时，负衬底偏置电压为-1.2v。3.一种基于负衬底偏压的n型鳍式场效应晶体管，其特征在于，包括栅g、漏d、源s、衬底b端口，在衬底端口与集成电路地电位之间设置电压源，提供负衬底偏置电压。4.根据权利要求3所述基于负衬底偏压的n型鳍式场效应晶体管，其特征在于，衬底端口与集成电路地电位之间的负衬底偏置电压为动态电压，使得晶体管的关态漏电流与初始值之差小于1个数量级。5.根据权利要求4所述基于负衬底偏压的n型鳍式场效应晶体管，其特征在于，负衬底偏置电压的绝对值小于等于晶体管额定工作电压值。

技术总结
本发明涉及一种基于负衬底偏压的n型鳍式场效应晶体管加固方法，属于半导体器件抗辐射技术领域，包括辐照前衬底偏置电路搭建、辐照中施加负衬底偏置电压抑制辐射损伤、随着辐照剂量的增加，调整负衬底偏置电压的步骤。还涉及一种n型鳍式场效应晶体管，在衬底端口与集成电路地电位之间设置电压源，提供负偏置电压。本发明不改变晶体管器件的工艺流程，施加负衬底偏压提升晶体管阈值电压，使关态漏电流与初始值之差小于1个数量级，保证了n型鳍式场效应晶体管在辐射环境下正常工作。效应晶体管在辐射环境下正常工作。效应晶体管在辐射环境下正常工作。


技术研发人员：郑齐文 崔江维 李豫东 郭旗
受保护的技术使用者：中国科学院新疆理化技术研究所
技术研发日：2023.07.12
技术公布日：2023/9/19