基于28nm高K栅氧介质SOI FinFET单粒子效应研究

发布时间：2020-08-13 03:39

【摘要】：随着集成电路工艺的发展,传统平面CMOS器件随着尺寸的缩小,短沟道效应、源漏电荷共享和亚阈值特性衰退等等对器件的电学特性影响越来越严重。当器件尺寸缩减到20nm以下,SOI FinFET器件结构成为未来替代传统平面器件的最佳选择。与传统工艺相比,SOI FinFET具有低功耗、集成度高、栅控能力强、性能稳定等优点,SOI衬底更是有效减小了器件的敏感体积,在抗辐照加固方面具有更好的研究前景。本文的主要研究成果如下:首先,本文使用Sentaurus TCAD工具对28nm SOI FinFET器件进行三维建模,仿真其在单粒子辐照作用下的电学特性变化趋势。分别研究漏电压,重离子入射深度,LET值,重离子入射位置以及重离子入射方向对SOI FinFET器件单粒子瞬态的影响。并通过对碰撞电离率、SRH复合率、双极放大增益以及沟道电势的变化解释造成单粒子瞬态的机理。仿真结果表明,单粒子辐射导致大量的电子-空穴对注入并积累,造成沟道电势升高,使寄生双极晶体管导通;但是当注入载流子浓度过大时,会造成沟道-漏P-N结电场塌陷,源漏区发生穿通,导致寄生双极晶体管工作在饱和区,双极放大增益消失,碰撞电离减小。因此,漏端瞬态电流和收集电荷才会随着漏区偏压增大、重离子入射深度增加、LET值增大而不断增大。并且通过仿真发现,SOI FinFET对单粒子辐照的敏感区域为沟道-漏P-N结处,随着入射位置靠近沟道-漏P-N结漏端瞬态电流和收集电荷明显增大。最后,还发现重离子垂直器件入射比水平入射对器件电学特性影响更大。其次,通过改变SOI FinFET器件尺寸参数,研究尺寸的缩小对单粒子辐照敏感程度的变化趋势,并提出抗单粒子的加固方法。研究结果为:随着Fin宽度和高度的缩小,由于辐照敏感区域的减小以及积累电荷量的减小,同时栅对沟道的控制能力加强,导致漏端瞬态电流和收集电荷都会减小;相反,随着栅长的缩小,SOI FinFET器件对单粒子效应会变得更加敏感,漏端瞬态电流和收集电荷都会增大。SOI FinFET器件对单粒子辐照的敏感程度依赖于栅对于沟道的控制能力和沟道-漏P-N结的截面积。因此减小Fin宽、Fin高,增大栅长可以有效改善SOI FinFET器件的抗单粒子辐照能力。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN432
【图文】：

曲线,栅长,器件,年份

件尺寸不断缩小的需求以适应集成电电路产业的发展。当器件尺，限制器件进一步缩短尺寸最主要的因素是短沟道效应，同时在研注的漏端电流也受短沟道效应导致的阈值电压降低的影响最大。短控制的理想静电行为发生改变，阈值电压随着漏端电压增大而降低，漏致势垒降低、源漏区电荷分享和穿通效应是导致阈值电压降低势垒降低是指漏极电压增大，沟道表面电势升高；源漏区电荷分-沟道 PN 结空间电荷区进入栅下；穿通效应源-沟道和漏-沟道 PN道中重合[8]。一般小尺寸平面 MOSFET 器件减小短沟道效应的方杂浓度和减小栅氧化层厚度这两种，但是大的沟道掺杂浓度导致件在较低的栅压下不能开启，而薄的栅氧化层不仅增大栅泄露电流电容。，从半导体工艺的角度考虑，大的沟道掺杂浓度实现起来有很大困日益缩小尺寸的器件性能影响越来越不容忽视。经过调查发现，近器件尺寸缩小地越来越慢，如图 1.1 所示。

示意图,单粒子,瞬态电流,脉冲

3.6eV 3.6eVdx dx dx 电子-空穴对需要的能量。通过对(1-8)式在进行单粒子仿真时，可以在 Sentaurus 工两个单位之间的关系式如下：- 1 24 -19 3 61 10 C 3.6eV/pair= 10 =98.608M1.6 10 /pair ρ×10 10 生的电子-空穴有复合、漂移和扩散三种运-N 结附近，这些载流子会被 P-N 结的空间极运动并被收集。过剩载流子的寿命远大于可忽略不计。

示意图,示意图,运动径迹,载流子扩散

相互作淀积能量，在运动径迹周围高于其他区域，因此瞬间会存在浓结比较远的载流子就是通过扩散作）运动被收集的。由于扩散过程比现在瞬态脉冲电流的尾部，在漂移集。决定载流子扩散的因素是扩散成的晶体管越来越多，以及立体电效应被更多的发现和研究。分流收于粒子在入射轨迹周围产生大量电时，空穴会从 2 流向 V1 即从 P 区流N 结构的电荷，这就是分流收集机制

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