兩種H形管的抗總劑量性能仿真研究

裴國(guó)旭,鄧玉良,邱恒功,李曉輝,鄒 黎

(深圳市國(guó)微電子股份有限公司,廣東 深圳 518057)

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兩種H形管的抗總劑量性能仿真研究

裴國(guó)旭*,鄧玉良,邱恒功,李曉輝,鄒 黎

(深圳市國(guó)微電子股份有限公司,廣東 深圳 518057)

為了研究0.13 μm體硅工藝的抗總劑量效應(yīng)加固,分別對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的H形管的性能做了仿真研究。仿真結(jié)果表明,兩種結(jié)構(gòu)的H形管有基本相同的轉(zhuǎn)移特性曲線,但有一種結(jié)構(gòu)的H形管有較大的飽和電流;同時(shí),此結(jié)構(gòu)的H形管還有較強(qiáng)的抗總劑量性能,可考慮在抗輻照要求的集成電路中使用。

抗輻照;總劑量效應(yīng);H形管

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,具有強(qiáng)抗輻射能力的計(jì)算機(jī)及控制芯片已成為衛(wèi)星用、核電站用等電子系統(tǒng)的核心部分[1]。在空間軌道運(yùn)行的衛(wèi)星,會(huì)暴露在空間輻射的影響下,空間輻射環(huán)境主要來(lái)自宇宙射線、范艾倫輻射帶(Van Allen Belt)、太陽(yáng)耀斑、太陽(yáng)電磁輻射和極光輻射等。不同的軌道輻射環(huán)境有所不同,但在外層空間運(yùn)行的衛(wèi)星所受到的輻射是相當(dāng)嚴(yán)重的,一個(gè)地球衛(wèi)星中的電子系統(tǒng)每年所受到的累積輻射總劑量可達(dá)102Gy(Si)以上,對(duì)于直接暴露在空間中的芯片則會(huì)更高[2-4]。因此對(duì)集成電路進(jìn)行抗輻照加固技術(shù)的研究很有必要。

CMOS的總劑量效應(yīng)主要在SiO2中產(chǎn)生電子-空穴對(duì),在Si/SiO2界面產(chǎn)生界面缺陷電荷等[5-6]。由于空穴的遷移率比電子要小,同時(shí)SiO2不可能是理想的絕緣體,內(nèi)部存在著缺陷能級(jí),使得電子-空穴對(duì)在SiO2內(nèi)不能有效復(fù)合,造成空穴在SiO2內(nèi)及Si/SiO2界面處的積累,產(chǎn)生凈有效電荷,從而對(duì)MOS器件的閾值電壓、亞閾值漏電流等電學(xué)性能產(chǎn)生影響[7]。

目前CMOS工藝的抗總劑量效應(yīng)加固多采用特殊形狀的晶體管,如H形管、環(huán)形管,以消除源漏區(qū)邊緣的漏電等[8]。為研究0.13 μm工藝中兩種不同結(jié)構(gòu)的H形管的基本性能和抗總劑量性能,我們對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的H形管的轉(zhuǎn)移特性曲線和抗總劑量性能做了仿真研究。綜合仿真結(jié)果,對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的H形管在抗總劑量性能方面表現(xiàn)出的差異進(jìn)行了分析和討論。

1 建模仿真

首先,參考0.13 μm CMOS工藝,使用ISE-TCAD系統(tǒng)中的3D建模工具SDE建立兩種結(jié)構(gòu)的H形管的3D模型;然后,使用格點(diǎn)和摻雜工具M(jìn)ESH定義模型中的摻雜分布和格點(diǎn)細(xì)化;最后使用器件仿真工具SDEVICE仿真兩種管子的轉(zhuǎn)移特性曲線和抗總劑量性能曲線。仿真過(guò)程中,場(chǎng)氧和柵氧分別被處理為理想絕緣體或?qū)捊麕У陌雽?dǎo)體材料。這樣處理可以對(duì)抗總劑量性能進(jìn)行更精確的仿真。

目前的研究表明,對(duì)深亞微米器件,SiO2中的陷阱電荷包括氧化層陷阱電荷和界面陷阱的影響變得很小,可以忽略;而場(chǎng)氧化層中的陷阱電荷特別是淺能級(jí)陷阱電荷在輻照效應(yīng)中起了主要作用。因此在仿真過(guò)程中,考慮了場(chǎng)氧化層中的陷阱電荷,在物理模型中加入了由輻照引起的場(chǎng)氧化層中淺能級(jí)的陷阱電荷[9]。

仿真用到的物理模型包括載流子的流體力學(xué)輸運(yùn)模型、輻射模型、SiO2中的陷阱(Traps)模型、Si中與摻雜濃度、散射等相關(guān)的載流子遷移率模型、俄歇復(fù)合模型(SRH)等。構(gòu)建的兩種H形管的俯視圖和剖面圖如圖1所示。上面這種結(jié)構(gòu)我們稱之為常規(guī)結(jié)構(gòu),編號(hào)為C-H;下面這種結(jié)構(gòu)我們稱之為特殊結(jié)構(gòu),編號(hào)為S-H。由圖1可以看出,S-H結(jié)構(gòu)較C-H結(jié)構(gòu)要占用更大的面積。

圖1 模型俯視圖和剖面圖

如圖1所示,模型中不同陰影部分分別代表器件中的STI(Shallow Trench Isolation)場(chǎng)氧區(qū)域、N型擴(kuò)散區(qū)(N+DIFF)、P型擴(kuò)散區(qū)(P+DIFF)、POLY、P_SUB、Al電極等部分。

圖2 線性(a)和對(duì)數(shù)(b)坐標(biāo)下兩種管子的轉(zhuǎn)移特性曲線

2 仿真結(jié)果及分析

2.1 輸出特性仿真

為研究?jī)煞NH形管的結(jié)構(gòu)對(duì)其基本電學(xué)性能的影響,構(gòu)建了兩種管子的3D模型,對(duì)它們的轉(zhuǎn)移特性曲線進(jìn)行了仿真。在模型構(gòu)建和仿真過(guò)程中,柵氧和STI處理為理想絕緣體。

仿真得出了兩種結(jié)構(gòu)的H形管分別在漏極電壓Vd分別為0.1 V和1.1 V下的轉(zhuǎn)移特性曲線,如圖2所示。仿真結(jié)果顯示,兩種管子的閾值電壓基本相同;對(duì)數(shù)坐標(biāo)下顯示兩種管子在亞閾值區(qū)有基本相同的漏電流和亞閾值擺幅。但S-H結(jié)構(gòu)的管子飽和電流Ids略大于C-H結(jié)構(gòu),這是由于同源/漏區(qū)寬度的兩種管子,S-H結(jié)構(gòu)的兩端存在更大的寄生寬度ΔWeff(如圖1所示),使其實(shí)際的溝道寬度更大,這可在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行修正?？傊?根據(jù)仿真結(jié)果,這兩種不同的結(jié)構(gòu)對(duì)相同工藝下晶體管的基本電學(xué)性能影響不大,一定條件下,在電路中可以互相替換使用。

2.2 總劑量特性仿真

為進(jìn)一步研究?jī)煞N結(jié)構(gòu)的H形管抗總劑量性能,仿真了兩種管子受總劑量輻射的過(guò)程。輻射時(shí)間從T=100 s開(kāi)始到T=2 100 s結(jié)束;漏極電壓Vds及柵極電壓Vgs隨時(shí)間T的變化在仿真結(jié)果中給出;輻射劑量率分別為1 Gy(Si)/s、2.5 Gy(Si)/s[10]。為了驗(yàn)證是柵氧還是STI造成的漏電,同時(shí)仿真了去掉STI結(jié)構(gòu)的晶體管,編號(hào)為NO-STI。仿真過(guò)程中,柵氧和STI根據(jù)需要處理為寬禁帶的半導(dǎo)體材料。

如圖3所示,顯示了兩種H形管及沒(méi)有STI結(jié)構(gòu)的晶體管的抗總劑量仿真結(jié)果。仿真結(jié)果顯示,沒(méi)有STI結(jié)構(gòu)的管子不存在輻照造成的柵氧漏電,說(shuō)明0.13 μm工藝下,輻照主要影響STI,對(duì)柵氧的影響已經(jīng)小到可以忽略;C-H結(jié)構(gòu)的H形管在劑量率為1 Gy(Si)/s輻照下,在T=1 500 s時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)漏電,在劑量率為2.5 Gy(Si)/s輻照下,在T=600 s時(shí)就出現(xiàn)漏電,其抗總劑量能力在1 250 Gy/Si～1 500 Gy/Si之間;S-H結(jié)構(gòu)的H形管在劑量率為1 Gy(Si)/s輻照下,在T=17s之后開(kāi)始出現(xiàn)漏電,在劑量率為2.5 Gy(Si)/s輻照下,在T=7 s之后開(kāi)始出現(xiàn)漏電,同時(shí)其漏電大小較C-H結(jié)構(gòu)的要低,其抗總劑量能力為1 500 Gy/Si～1 600 Gy/Si之間。

圖3 線性(a)和對(duì)數(shù)(b)坐標(biāo)下抗總劑量仿真曲線

根據(jù)仿真結(jié)果,S-H結(jié)構(gòu)的H形管抗總劑量能力較C-H結(jié)構(gòu)有所提高。這是因?yàn)?輻射使正電荷在STI中積累,當(dāng)STI中的正電荷積累到一定量,會(huì)導(dǎo)致與STI接觸的體區(qū)表面反型,造成晶體管中的漏電。而S-H結(jié)構(gòu)中造成漏電的STI中,有一段是包圍著襯底接觸區(qū),此處的摻雜濃度比體區(qū)高,使這一段STI需要積累更多的正電荷才能使漏電通道開(kāi)啟;同時(shí),S-H有更長(zhǎng)的STI漏電通道,漏電通道開(kāi)啟后有較大的電阻,使漏電流下降。

S-H結(jié)構(gòu)相當(dāng)于增大了體區(qū)摻雜濃度,增大了漏電通道的電阻,使其較C-H結(jié)構(gòu)具有更大的抗總劑量性能,及更小的漏電流。

3 結(jié)論

仿真結(jié)果顯示,兩種0.13 μm尺寸的H形管,理想狀態(tài)下有基本相同的轉(zhuǎn)移特性曲線,但S-H結(jié)構(gòu)由于有效溝道寬度Weff較大,所以有較大的飽和電流。在抗總劑量方面,S-H結(jié)構(gòu)變相增大了體區(qū)摻雜濃度和漏電通道的電阻,所以其抗總劑量能力較C-H結(jié)構(gòu)有所提高,但這是以增大面積為代價(jià)的。

總之,在抗輻照要求的芯片中,可以考慮采用S-H結(jié)構(gòu)的H形管來(lái)做抗總劑量效應(yīng)的加固,但要兼顧對(duì)芯片面積的要求。

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裴國(guó)旭(1972-),男,吉林省梅河口市人,工學(xué)學(xué)士,工程師,研究方向?yàn)榧呻娐房馆椪占庸淘O(shè)計(jì)與研究、集成電路失效分析等,gxpei@ssmec.com;

鄧玉良(1969-),男,遼寧省沈陽(yáng)市,博士,高級(jí)工程師,研究方向?yàn)楦咝阅芪⑻幚砥?、存?chǔ)器和可編程邏輯器件,yldeng@ssmec.com。

SimulationoftheTotalIonizingDoseEffectofTwoKindsofDifferentH-GateMOSFETs

PEIGuoxu*,DENGYuling,QIUHenggong,LIXiaohui,ZOULi

(Shenzhen StateMicro Electronics Co.,Ltd,Shengzhen Guangdong 518057,China)

Two different structures of H-gate MOSFETs’ performances are simulated,which are used to study total dose radiation hardness of commercial 0.13 μm CMOS process. Simulation results show that two kinds of different H-gate MOSFETs have basically same transfer characteristics curves. But one of two structures H-gate MOSFETs has bigger saturation current and radiation-hardened for radiation applications. This kind of H-gate MOSFETs could be considered to be used in the radiation hardened ICs.

radiation hardened;total ionizing dose effect;H-gate transistor

2013-10-23修改日期:2013-12-05

O472.8

:A

:1005-9490(2014)06-1054-03

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.06.009