90 nm CMOS工藝下p+深阱摻雜濃度對電荷共享的影響*

劉凡宇 劉衡竹 劉必慰 梁 斌 陳建軍

(國防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院微電子與微處理器研究所，長沙 410073)(2010年4月15日收到;2010年7月24日收到修改稿)

90 nm CMOS工藝下p+深阱摻雜濃度對電荷共享的影響*

劉凡宇 劉衡竹 劉必慰 梁 斌 陳建軍

(國防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院微電子與微處理器研究所，長沙 410073)(2010年4月15日收到;2010年7月24日收到修改稿)

基于3維TCAD器件模擬，研究了90 nm CMOS雙阱工藝下p+深阱摻雜對電荷共享的影響.研究結(jié)果表明:改變p+深阱的摻雜濃度對PMOS管之間的電荷共享的影響要遠(yuǎn)大于NMOS管;通過增加p+深阱的摻雜濃度可以有效抑制PMOS管之間的電荷共享.這一結(jié)論可用于指導(dǎo)電荷共享的加固.

電荷共享，單粒子效應(yīng)，p+深阱摻雜，雙極晶體管效應(yīng)

PACS:61.80.Jh，61.72.U － ，85.30.De，87.64.Aa

1.引 言

當(dāng)輻射環(huán)境中的高能粒子轟擊半導(dǎo)體器件靈敏區(qū)時將會引起單粒子效應(yīng)(single event effect，SEE)［1，2］. 長期以來，國內(nèi)外學(xué)者對單粒子效應(yīng)進(jìn)行了大量深入研究［3—7］:Levinson等結(jié)合模擬和實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)質(zhì)子誘導(dǎo)的單粒子閂鎖(single event latchup，SEL)與 單 粒 子 翻 轉(zhuǎn) (single event upset，SEU)的機(jī)理有很大不同;Schrimpf等通過準(zhǔn)確描述大量單個粒子反應(yīng)的方法準(zhǔn)確預(yù)測了單粒子效應(yīng)的軟錯誤率;劉征等［7］采用 TCAD模擬發(fā)現(xiàn)深亞微米下雙極晶體管效應(yīng)在單管單粒子瞬變(single event transient，SET)電流脈沖中占主要成分.這些研究對抗輻照加固有重要的指導(dǎo)意義.

隨著工藝尺寸的不斷縮小，單粒子引起的電荷共享問題變得越來越嚴(yán)重，已經(jīng)成為了國際上備受關(guān)注的可靠性問題［8］.電荷共享 (charge sharing)是指單粒子轟擊產(chǎn)生的電荷同時被多個敏感節(jié)點(diǎn)收集.電荷共享能導(dǎo)致系統(tǒng)的軟錯誤率增加，加大抗輻照加固的難度［9］.文獻(xiàn)［10］研究了雙阱工藝下器件距離、粒子的LET以及晶體管類型對電荷共享的影響，并用激光第一次實(shí)現(xiàn)了電荷共享實(shí)驗(yàn).文獻(xiàn)［11］通過3維 TCAD模擬發(fā)現(xiàn)130nm CMOS雙阱工藝下溫度的升高會導(dǎo)致電荷共享加重，進(jìn)而導(dǎo)致 SRAM單元MBU閾值降低.文獻(xiàn)［12］通過數(shù)值模擬得出，深亞微米下電荷共享的機(jī)理主要包括漂移、擴(kuò)散和雙極晶體管效應(yīng).

p+深阱摻雜濃度對電荷共享的影響目前還沒有相關(guān)研究.有研究證實(shí)，重?fù)诫s的p+深阱可以提高SRAM 單元的 SEU翻轉(zhuǎn)閾值［13］.通常，p+深阱對器件的I-V特性影響不大，卻能有效減少襯底對阱電勢影響［14］.而阱電勢又是影響漂移、擴(kuò)散和雙極晶體管效應(yīng)最重要的因素.因此，通過研究不同p+深阱摻雜濃度下的電荷共享的變化趨勢，有助于我們通過改變p+深阱摻雜濃度達(dá)到抑制電荷共享的目的.

本文基于90 nm CMOS雙阱工藝，在不同的p+深阱摻雜濃度下進(jìn)行了 TCAD 3維器件模擬，分別研究了p+深阱摻雜濃度對 PMOS管之間以及對NMOS管之間電荷共享的影響，發(fā)現(xiàn) p+深阱摻雜濃度對電荷共享的影響主要是增大或減小襯底電荷收集，進(jìn)而增強(qiáng)或減弱雙極晶體管效應(yīng).這對于電荷共享的建模和加固具有重要的指導(dǎo)作用.

2.模擬設(shè)置

2.1.TCAD模型校準(zhǔn)

模擬中使用了兩種電路結(jié)構(gòu):1)兩個輸入為“0”反相器:兩NMOS漏端相鄰并采用3維器件模型，而兩PMOS管采用電路模型，如圖1所示，2)兩個輸入“1”反相器:兩 PMOS漏端相鄰并采用3維器件模型，而兩NMOS管采用電路模型.這兩種電路結(jié)構(gòu)都廣泛地存在于各種電路設(shè)計(jì)中.器件模型的p阱雜質(zhì)為硼，而 n阱雜質(zhì)為砷.通過調(diào)整漏輕摻雜(LDD)濃度、閾值電壓(VT)注入和源漏摻雜的濃度等工藝參數(shù)，對NMOS和PMOS器件模型進(jìn)行了工藝校準(zhǔn).該模型獲得了與90nm CMOS雙阱工藝相一致的電流電壓特性曲線(Ids－Vds)，如圖2所示.

圖1 電荷共享模擬使用的NMOS管器件結(jié)構(gòu)

2.2.模擬建立

模擬中，我們采用 Synopsys公司的 Sentaurus TCAD構(gòu)建了3維器件模型.NMOS管和PMOS管的尺寸分別為:Wn∶Ln=200 nm∶90 nm 和 Wp∶Lp=480 nm∶90 nm.管子間距為 140 nm，阱接觸距NMOS和PMOS的距離為280nm，使用STI隔離兩個晶體管.工作電壓設(shè)置為1.2 V.

重離子轟擊的 LET值為10 MeV·cm2/mg，并在軌跡上保持不變.粒子軌跡的深度和半徑分別為5 μm 和 0.05 μm. 這與 SRIM(stopping and ranges of ions in matter)軟件得到的Cl離子入射硅的輻射參數(shù)相當(dāng).假定粒子轟擊的位置為漏極的中心，且垂直轟擊器件結(jié)構(gòu)的表面.

圖2 90 nm CMOS工藝校準(zhǔn)獲得的ID-VD曲線 (a)NMOS;(b)PMOS

使用的物理模型包括:1)Fermi-Dirac統(tǒng)計(jì);2)禁帶變窄模型;3)摻雜相關(guān)的SRH復(fù)合和Auger復(fù)合;4)摻雜、電場和載流子濃度對遷移率的影響;5)轟擊的重離子是采用 Gaussian分布建模，且Gaussian時序分布有0.25 ps的延遲;6)流體動力學(xué)模型用來模擬載流子輸運(yùn).如果沒有其他特別指定，其他的模型和參數(shù)為Sentaurus TCAD默認(rèn).

在混合模擬中，使用的 SPICE集約模型是BSIM3V3.晶體管的尺寸與器件模型一樣.其他重要的尺寸(如源區(qū)/漏區(qū)面積，p阱接觸面積，p阱接觸與主器件的距離等)是由版圖規(guī)則設(shè)定.

下面的討論中，我們將使用文獻(xiàn)［12］中定義的概念.直接被粒子轟擊的器件稱為主器件，而發(fā)生電荷共享的器件稱為從器件.將校準(zhǔn)的p+深阱摻雜濃度作為基準(zhǔn)，然后改變摻雜濃度的峰值，進(jìn)行模擬并比較結(jié)果.表1給出了模擬中使用的最大和最小p+深阱摻雜濃度峰值.

所有的模擬都是在16核心128G內(nèi)存的高性能服務(wù)器上運(yùn)行的.整個器件模擬的面積為10 μm ×10 μm ×5 μm，且器件模型包含 100，000—150，000個網(wǎng)格點(diǎn).8個線程的器件模擬的平均時間大約為1天.

表1 電荷共享模擬中使用的p+深阱濃度值

3.模擬結(jié)果及分析

3.1.NMOS

對NMOS而言，圖3顯示了在不同p+深阱摻雜濃度下主NMOS的漏端電流.圖4顯示了不同p+深阱摻雜濃度下從NMOS的漏端和源端電流.

p+深阱摻雜濃度從 5×1017cm－3增大到5×1018cm－3，主NMOS電荷的收集變化很小，如圖3所示.比較圖3和圖4(a)，p+深阱摻雜濃度的變化對從NMOS漏端電荷收集的影響要略大于主NMOS.

圖3 不同p+深阱摻雜濃度下主NMOS漏端電流(Active Drain，即主器件漏極;Passive Drain，即從器件漏極;Active Source，即主器件源極;Passive Source即從器件源極)

3.2.PMOS

對PMOS而言，圖5顯示了不同p+深阱摻雜濃度下主PMOS的漏端電流.不同p+深阱摻雜濃度下從PMOS的漏端和源端電流則如圖6所示.

圖4 不同p+深阱摻雜濃度下從NMOS漏端和源端電流 (a)漏端;(b)源端

圖5 不同p+深阱摻雜濃度下主PMOS漏端電流

根據(jù)圖3和圖5，p+深阱的摻雜濃度對主PMOS漏端電流的影響較主NMOS大.對主PMOS漏結(jié)而言，隨著p+深阱的摻雜濃度的增加，電流脈沖持續(xù)時間減少，如果采用國際上通用的半高寬(電流峰值的一半)作為電流脈沖寬度，則當(dāng)p+深阱摻雜濃度從5×1017cm－3增大到5×1018cm－3時，電流脈沖寬度從0.22 ns減小到0.14 ns，約降低36%;對從 PMOS漏結(jié)而言，漏端和源端的電流峰值和持續(xù)時間都降低，故漏端收集的電荷和源端注入n阱的電荷也降低.當(dāng) p+深阱摻雜濃度從5×1017cm－3增大到5×1018cm－3時，漏端收集的電荷從11.1 fC減少到3.62fC，約降低67%;源端注入n阱的電荷從14.8 fC減少到3.76 fC，約降低74.6%.總之，p+深阱摻雜濃度的變化對PMOS電荷共享的影響要遠(yuǎn)大于NMOS.

圖6 不同p+深阱摻雜濃度下從PMOS漏端和源端電流 (a)漏端;(b)源端

4.討 論

影響電荷共享的機(jī)理主要有兩個:一是漂移擴(kuò)散;二是雙極晶體管效應(yīng).區(qū)分摻雜對這兩種機(jī)理的影響是重要的.前人的研究證實(shí)［12］，NMOS的電荷共享機(jī)理主要是擴(kuò)散，而PMOS則主要是雙極晶體管效應(yīng).從電離軌跡到從器件漏極附近的電荷擴(kuò)散幾乎不受p+深阱摻雜的影響;但襯底的電荷收集顯著地受到p+深阱濃度的影響，進(jìn)而影響阱電勢擾動，從而對雙極晶體管效應(yīng)產(chǎn)生影響.下面我們將從理論上探討p+深阱對電荷共享的影響.

4.1.對電荷產(chǎn)生的影響

雜質(zhì)濃度對電荷產(chǎn)生的影響主要是禁帶變窄.雜質(zhì)濃度與禁帶變窄的關(guān)系為［15］

其中，Eref和 Nref是材料參數(shù)，Oldslotboom模型默認(rèn)為 9.0 ×10－3eV 和 1.0 ×1017cm－3，Ntot是摻雜濃度.每產(chǎn)生一對電子空穴需要能量ε為［16］

故p+深阱摻雜濃度從5×1017cm－3增大到5×1018cm－3，ε從3.51 eV減小到3.35 eV，約降低4.6%.p+深阱摻雜的改變對電荷產(chǎn)生的影響可以忽略.

圖7 PMOS和NMOS的垂直剖面圖 (a)PMOS管的n+-p-p+-p－結(jié)構(gòu);(b)NMOS管的 p+-n-p+-p－結(jié)構(gòu)

4.2.對PMOS電荷共享的影響

對于PMOS，P漏、n阱、p+深阱和襯底構(gòu)成 p+-N-p+-p－結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由兩個pn結(jié)和一個濃度結(jié)構(gòu)成，如圖7(a)所示.重離子轟擊前，P漏電勢為低電平，n阱接高電平，襯底接地.根據(jù)文獻(xiàn) ［17，18］，重離子轟擊主PMOS后將在其軌跡上發(fā)生漏斗收集過程，這個過程與電勢分布有關(guān):電離的電子將向高電勢漂移，空穴將向低電勢漂移.因此，n阱將收集電子，而襯底和 P漏將收集空穴.又根據(jù)文獻(xiàn)［17，19］，襯底濃度越高，其與阱形成的結(jié)耗盡區(qū)寬度越窄，電荷收集也越少.對于 p+-n-p+-p－結(jié)構(gòu)，增大p+深阱濃度，相當(dāng)于增大襯底濃度.因?yàn)?n阱摻雜濃度為1×1017cm－3，p+深阱 －n阱結(jié)為 pn結(jié)，所以當(dāng) p+深阱濃度從 5×1017cm－3增大到 5×1018cm－3，n阱 －p+深阱結(jié)耗盡區(qū)明顯變窄，因而漏斗收集過程中襯底對空穴的收集變少，n阱對電子收集變少，即襯底對電子收集增多［17］.圖8顯示了重離子轟擊50ps后垂直從PMOS漏極中心方向的電子和空穴的濃度.隨著 p+深阱濃度增大，n阱內(nèi)電子濃度降低.圖9顯示了不同 p+深阱摻雜濃度下NMOS和PMOS的襯底收集的電子空穴量.對PMOS而言，當(dāng) p+深阱摻雜濃度從5×1017cm－3增大到5×1018cm－3時，襯底收集的電子從158 fC增加到211 fC，約增加33.5%，而空穴從475 fC減小到390 fC，約降低17.9%.因此，對 PMOS而言，隨著 p+深阱摻雜濃度的增加，襯底收集的電子增多，空穴變少.

圖8 重離子轟擊50 ps后，三種 p+深阱摻雜濃度下，垂直從PMOS漏極中心方向的電子和空穴濃度 (a)電子;(b)空穴

隨著p+深阱濃度增加，襯底收集空穴變少、n阱內(nèi)電子濃度降低，n阱的電勢擾動將變?。?9］，雙極晶體管效應(yīng)也就變?nèi)趿耍鐖D10所示.下面我們將討論p+深阱摻雜濃度對PMOS雙極晶體管效應(yīng)的影響是主要的.雙極晶體管效應(yīng)，指重離子的轟擊引起阱電勢的擾動，導(dǎo)致開啟寄生雙極型晶體管，從而使源區(qū)向阱區(qū)注入少數(shù)載流子(對 NMOS而言注入的是電子，對PMOS而言是空穴)，增大漏極電荷的收集.為了分析p+深阱摻雜對雙極晶體管效應(yīng)的影響，在原模擬電路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，去掉從器件的源注入和柵極，這樣從器件就變成一個二極管.目前國際上很多學(xué)者都采用無源端器件來研究電荷收集中的雙極晶體管效應(yīng)［7，10—12］. 無源端器件與有源端器件相比，沒有橫向寄生晶體管，因此去除了雙極晶體管效應(yīng).

圖9 NMOS和PMOS襯底收集的電子和空穴隨p+深阱摻雜濃度的變化 (a)電子;(b)空穴

圖10 重離子轟擊50 ps后，不同 p+深阱摻雜濃度(5×1017cm－3，1×1018cm－3和 2×1018cm－3)下垂直從 PMOS的源極中心方向的電勢

圖11 不同 p+深阱摻雜濃度(5×1017cm－3，1×1018cm－3和2×1018cm－3)下無源端的從NMOS和從PMOS的漏端電流

圖11(b)顯示了無源端的從PMOS在三種p+深阱摻雜濃度下的漏端電流.比較圖6和圖11(b)，隨著 p+深阱濃度的變化，從 PMOS在有源端的情況下比無源端的情況下電流的變化要大得多.根據(jù)前面的分析，我們知道，無源端器件與有源端器件最大的區(qū)別是:有源端器件存在雙極型晶體管效應(yīng).這就證實(shí)了 p+深阱摻雜濃度主要通過影響PMOS的雙極晶體管效應(yīng)來影響其電荷共享.n阱電勢擾動降低，雙極晶體管效應(yīng)變小，故漏端電荷收集減少，而無源端的從PMOS由于去除了雙極晶體管效應(yīng)，因而從PMOS漏端電荷收集隨p+深阱濃度變化不明顯，如圖12.

總之，增大p+深阱濃度，襯底收集電子增多、空穴減少，而n阱內(nèi)電子濃度降低，從而導(dǎo)致n阱電勢擾動減小，雙極晶體管效應(yīng)減弱，而PMOS電荷共享的主要機(jī)理是雙極晶體管效應(yīng)，所以從PMOS漏端收集電荷減少.

4.3.對NMOS電荷共享的影響

圖12 在有源端和無源端情況下NMOS和PMOS漏端收集電荷隨p+深阱濃度的變化

對于NMOS，N漏、p阱、p+深阱和襯底構(gòu)成 n+-p-p+-p－結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由一個pn結(jié)和兩個濃度結(jié)構(gòu)成，如圖7(b)所示.重離子轟擊前，N漏電勢為高電平，p阱和襯底接地.因此，大量電子將被N漏收集，而空穴大部分將被p阱接觸收集，少部分被襯底收集［17］. 同樣根據(jù)文獻(xiàn)［17，18］，由于襯底摻雜濃度為 1×1016cm－3，p阱摻雜濃度為 1 ×1018cm－3，所以當(dāng) p+深阱濃度從 5×1017cm－3增大到 5×1018cm－3，兩個濃度結(jié)的耗盡區(qū)變化很小;又根據(jù)文獻(xiàn)［19］，p+深阱濃度對 NMOS 的 n+-p-p+-p－結(jié)構(gòu)的電場擾動很小，因此p+深阱濃度變化對襯底電荷收集影響不大，如圖9所示.對NMOS而言，當(dāng)p+深阱摻雜濃度從 5×1017cm－3增大到 5×1018cm－3時，襯底收集的電子從 410 fC減少到 397 fC，約降低3.2%，而空穴從 324 fC減少到 315 fC，約降低2.8%.因此，p+深阱濃度對 NMOS襯底電子空穴的收集的影響基本可以忽略.

圖13 重離子轟擊50 ps后，不同p+深阱摻雜濃度下垂直從NMOS的源極中心方向的電勢

隨著p+深阱濃度的增加，NMOS襯底對電子空穴的收集影響不大，p阱內(nèi)電子和空穴的濃度變化也不大，p阱電勢擾動也不大［19］.圖13給出了三種p+深阱摻雜濃度下垂直從PMOS的源極中心方向的電勢.下面我們說明p+深阱摻雜濃度對從轟擊軌跡上擴(kuò)散到被從NMOS漏端收集的電荷沒有影響.圖11(a)顯示了無源端的從NMOS在三種p+深阱摻雜濃度下的漏端電流.比較圖4和圖11(a)，在有源端和無源端兩種情況下，從NMOS電荷收集變化不大.又由圖12知，有源端和無源端的從 NMOS漏端電荷收集隨著p+深阱摻雜濃度的增加變化都不大.且NMOS電荷共享的主要機(jī)制是擴(kuò)散，因此p+深阱摻雜濃度對電荷擴(kuò)散影響不大，進(jìn)而對NMOS電荷共享影響也不大.綜上所述，p+深阱摻雜濃度改變基本不會改變NMOS襯底的電荷收集，因而對p阱電勢擾動也很小，加之p+深阱摻雜對電荷擴(kuò)散沒有影響，所以p+深阱摻雜濃度對NMOS的電荷共享影響很小.

5.結(jié) 論

本文研究了90nm CMOS雙阱工藝下p+深阱摻雜濃度對電荷共享的影響.通過TCAD 3維模擬，發(fā)現(xiàn)p+深阱的摻雜對PMOS電荷共享的影響比NMOS大得多，這是因?yàn)閜+深阱摻雜會影響襯底電荷收集，進(jìn)而影響雙極晶體管效應(yīng).更大的p+深阱摻雜濃度將會有更大的襯底電子收集、更小的空穴收集，從而導(dǎo)致更弱的雙極晶體管效應(yīng).因此，為了抑制PMOS的電荷共享，我們可以適當(dāng)增大p+深阱摻雜濃度.

目前電荷共享的加固主要通過版圖技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，如添加保護(hù)環(huán)，增大阱接觸等，這些技術(shù)都增加了面積和功耗［18］.調(diào)整 p+深阱摻雜不僅解決了這一難題，同時又不使工藝變得復(fù)雜.3維數(shù)值模擬可以分析p+深阱摻雜對電荷共享的影響機(jī)理，還可以利用該結(jié)論指導(dǎo)電荷共享的加固，為宇航級集成電路的設(shè)計(jì)和制造提供理論支持.

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PACS:61.80.Jh，61.72.U － ，85.30.De，87.64.Aa

Effect of doping concentration in p+deep well on charge sharing in 90nm CMOS technology*

Liu Fan-Yu Liu Heng-Zhu Liu Bi-Wei Liang Bin Chen Jian-Jun
(Computer School，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China)(Received 15 April 2010;revised manuscript received 24 July 2010)

This paper deals with the effect of doping concentration in p+deep well on charge sharing in 90nm dual well CMOS technology.TCAD simulation results show doping concentration in p+deep well has a more significant effect on charge sharing in PMOS tube than in NMOS tube.By increasing doping concentration of p+deep well appropriately，the charge sharing in PMOS can be restrained effectively，which is useful for reinforcing the charge sharing.

charge sharing，SEE，p+deep well doping concentration，bipolar amplification effect

*國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(批準(zhǔn)號:60836004)，國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號:61006070)資助的課題.

E-mail:liufanyu986412@hotmail.com

*Project supported by the Key Program of National Natural Science Foundation of China(Grant No.60836004)，the National Natural Science Foundation，China(Grant No.61006070).

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