DSOI器件的单粒子瞬态效应研究

发布时间：2019-11-11 01:11

【摘要】：CMOS的发展紧随摩尔定律的步伐不断缩小特征尺寸的同时,逐渐增加的亚阈值电流和栅介质漏电流阻碍了CMOS工艺进一步发展。因此CMOS向22 nm节点以下发展的关键是减少器件漏电流,提高其稳定性。解决方案有引入新技术和新材料(如应力硅技术、高k绝缘介质材料和铁电材料等)和采用新型器件结构(SOI(Silicon-on-Insulator)、双栅、多栅MOSFET、FinFET等)。其中SOI器件以其短沟道效应弱、跨导高、亚阈值斜率陡直、寄生电容低等优点成为CMOS主流技术。最初提出DSOI(drain and source on insulator)结构的主要目的是抑制SOI器件的浮体效应和自热效应。一个能量粒子(如重离子或中子)对半导体材料的轰击会使其发生电离从而导致器件工作不正常,这就是器件的单粒子瞬态效应。器件特征尺寸不断缩小导致器件对辐射更加敏感,单粒子效应更加显著。因此,研究如何抑制单粒子效应是非常必要的。经研究,独特的DSOI器件结构在抑制单粒子效应方面有较大的优势。基于以上原因,本论文利用器件仿真软件Sentaurus TCAD对DSOI器件的单粒子效应机制做了相关研究。首先研究了单个DSOI器件中单粒子瞬态效应的作用机理,通过仿真软件Sentaurus TCAD建模仿真了45 nm特征尺寸DSOI器件的电学特性和不同单粒子入射情况下DSOI器件中的单粒子瞬态效应。其次利用仿真软件Sentaurus TCAD对不同结构的DSOI器件的进行了不同单粒子入射情况下的单粒子瞬态效应研究,最后,构建DSOI器件七级反相器链,并对其进行混合数值模拟仿真。通过针对单个半导体器件和电路级这两个角度进行计算机软件仿真来研究DSOI器件的单粒子瞬态效应,仿真结果表明,DSOI器件拥有和SOI器件一样优秀的电学特性,同时DSOI器件因为其源漏端与衬底之间被埋氧层隔离,所以还克服了传统SOI器件的浮体效应和自热效应。在N型DSOI器件中,漏极无法收集入射离子轰击半导体器件导致半导体材料发生电离所产生的电子,在P型DSOI器件中,由于埋氧层较深,埋层与衬底界面处的半导体材料发生电离所产生的电子引起的的电势变化不会引起严重的双极晶体管放大效应,因此漏极也不会吸收过多空穴。因此DSOI器件还有着优秀的单粒子瞬态效应加固能力。
【图文】：

体硅,器件结构,器件,示意图

S 管寄生的源漏电容，能够形成深亚微米器件需要的浅结。但是由氧层的导热率远远低于体硅，因此会导致 SOI 器件的自热效应更尽管 SOI 器件电学特性很占优势，但是差的导热能力导致 SOI 器子迁移率降低、驱动能力降低，速度减小等等问题，使得 SOI 器限制[3]。综上所述，必须研究 SOI 器件的散热特性，对 SOI 器件制进。如图 1.1 所示，图 1.1 (a)、(b)、(c)分别为体硅，SOI 和 DSOI MO意图。其中 S 表示源极，C 表示沟道，D 表示漏极。比起体硅器件源极和漏极的下方增加了埋氧层；比起常规 SOI 器件，新器件选代替沟道下方的埋氧层。兼容 SOI 和体硅技术的新工艺 DSOI 技术统 SOI 器件的浮体效应和自热效应，并且还能兼备 SOI 器件相对电学特性上的优势，，硅通道的导热作用降低了器件的衬底热阻和自SOI 结构中，埋氧层只存在于器件的漏、源区的下方，沟道的器件通，所以完全消除了浮体效应。因此，对 DSOI 进行进一步研究很主要想研究单粒子效应对 DSOI 器件的影响，以分析 DSOI 器件未集成电路上发展的可能性[4-7]。

太阳耀斑,太阳活动,线核

2图 1.2 太阳耀斑线核聚变反应产生的高能粒子流。太阳活动每 11 年为阳耀斑，太阳宇宙射线是由 95%以上的质子组成电子伏特之间[9-13]。太阳宇宙射线粒子在太阳活动处
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN303

【参考文献】