應(yīng)變Si 納米NMOSFET單粒子效應(yīng)

廖晨光，郝敏如

(西安電子科技大學(xué) 微電子學(xué)院，陜西 西安 710071)

隨著微電子集成電路技術(shù)的快速發(fā)展，以互補(bǔ)型金屬氧化物為核心的半導(dǎo)體技術(shù)已進(jìn)入納米尺度，由于正常工作的集成電路受到納米器件二級(jí)物理效應(yīng)產(chǎn)生的影響，各種新技術(shù)以及新材料被國內(nèi)外各研究院所迫切開發(fā)[1-5]，目的是提高器件以及集成電路的特性。應(yīng)變硅技術(shù)由于帶隙可調(diào)、遷移率高等優(yōu)點(diǎn)，并且其技術(shù)與傳統(tǒng)的 Si工藝技術(shù)相兼容，因此被廣泛應(yīng)用于集成電路中，因而成為目前提高應(yīng)變集成技術(shù)的重要途徑之一[6-10]。單軸應(yīng)變相對于雙軸應(yīng)變更適用CMOS集成電路制造，因此關(guān)于單軸應(yīng)變Si MOSFET的性能研究備受關(guān)注[11-16]。隨著應(yīng)變集成器件及電路技術(shù)在空間、軍事等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，在輻照條件下應(yīng)變集成器件及電路的應(yīng)用將會(huì)越來越多，因此輻照特性及加固技術(shù)對應(yīng)變集成器件的研究顯得尤為重要[17-19]。由于目前抗輻射器件的研制過程周期長以及代價(jià)昂貴。因此, 對于抗輻照研究分析，前期利用計(jì)算機(jī)的模擬仿真很有必要，一方面減少了人力和成本的消耗，另一方面, 器件內(nèi)部的電參數(shù)可以通過計(jì)算機(jī)模擬仿真獲得。本文主要通過計(jì)算機(jī)模擬仿真驗(yàn)證漏斗模型的正確性，并且通過二維數(shù)值仿真分析了單軸應(yīng)變Si納米NMOSFET器件在不同漏極偏置電壓，不同溝道長度以及不同注入位置對瞬態(tài)電流大小的影響。

1 器件結(jié)構(gòu)

圖1是單軸應(yīng)變Si器件單粒子效應(yīng)原理圖。表1列出了器件結(jié)構(gòu)以及工藝參數(shù)。表2給出了仿真單粒子效應(yīng)重離子模型的參數(shù)，其中，let_f 和 wt_hi分別是線性能量傳輸值以及半徑。方向(0,1)為單粒子垂直注入單軸應(yīng)變Si器件。隨著集成電路繼續(xù)發(fā)展，集成電路的特征尺寸由深亞微米進(jìn)入納米級(jí)，為了更精確的研究納米尺度的器件，本文利用Sentaurus TCAD軟件進(jìn)行器件仿真，同時(shí)添加了小尺寸模型，SRH和Auger復(fù)合，禁帶變窄及遷移率模型等。

圖1 單粒子效應(yīng)的原理圖

表1 部分器件結(jié)構(gòu)以及工藝參數(shù)

表2 部分重離子模型參數(shù)

2 結(jié)果與分析

圖2是單粒子注入后單軸應(yīng)變Si 納米NMOSFET器件內(nèi)部電勢分布的仿真模擬圖。注入位置是0.00 μm, LET值是0.02 pC/μm。圖2給出了單軸應(yīng)變Si 納米NMOSFET器件在0 ps, 1 ps, 5 ps, 10 ps, 20 ps 以及50 ps時(shí)的電勢分布。由圖2可看出，0 ps為重離子入射前電勢的分布，1 ps為粒子入射的起初階段，此刻粒子入射到漏端，產(chǎn)生的電場區(qū)沿著重離子的運(yùn)動(dòng)徑跡形成，并且延伸至襯底區(qū)；20 ps后，電場區(qū)逐漸衰弱，達(dá)到50 ps時(shí)，由于單粒子輻照產(chǎn)生的電場完全消失。因此，由圖2可得出，電荷漏斗模型與計(jì)算機(jī)的仿真模擬結(jié)果相吻合，證實(shí)了漏斗模型的正確性。

圖2 電勢等位線分布圖

圖3為在不同漏極偏置下，瞬態(tài)電流和收集電荷的變化趨勢，以及電場的分布。由圖3(a)可看出，隨著漏極偏置電壓的增大，單粒子瞬態(tài)電流峰值越高，脈沖寬度越大。根據(jù)單粒子瞬態(tài)電流的機(jī)制，漏極電壓的增大，不僅增大了耗盡區(qū)漂移電流，而且增大了漏斗漂移電流和雙極放大效應(yīng)。此外，還可以看出不論漏極電壓的大小變化，漏極瞬態(tài)電流最終值都降為0，這也說明漏極電壓的變化對擴(kuò)散電流沒有影響。由圖3(b)可知，漏極電壓越大，漏斗電場越大，從而通過漏斗電場以及雙極放大效應(yīng)，更多的電荷被漏極收集。因此，漏極電壓越大，單粒子瞬態(tài)電流峰值越高，脈沖越寬，以至于器件的單粒子翻轉(zhuǎn)越容易發(fā)生。

圖3 電流及收集電荷分布和電場分布

隨著半導(dǎo)體工業(yè)的快速發(fā)展，器件尺寸不斷縮減導(dǎo)致器件的單粒子效應(yīng)越來越敏感。隨著溝道長度的減小，寄生晶體管的基區(qū)變薄，導(dǎo)致寄生晶體管更容易開啟。圖4是在不同溝道長度下，漏極瞬態(tài)脈沖電流的變化。由圖4(a)可知，漏極瞬態(tài)脈沖電流隨著溝道長度的減小而增大。表3給出了柵長為50 nm和120 nm源極和漏極的瞬態(tài)電流的大小比較。由圖4(b)和表3可知，隨著溝道長度的減小，寄生晶體管變得更容易開啟，同時(shí)可得知雙極放大效應(yīng)更明顯。

圖4 不同溝道長度的源漏極電流

表3 源漏電流對比(L=50 nm和L=120 nm)

圖5是不同的注入位置，電場分布以及漏極瞬態(tài)電流的分布。由圖5(a)可看出，電場強(qiáng)度最大的位置是X=25 nm。同時(shí)由圖5(b)可知，單粒子瞬態(tài)電流最大時(shí)的位置也是X=25 nm。因此，由圖5可知，對于該器件單粒子效應(yīng)的敏感位置是X=25 nm。此外，由圖5(b)可看出，X=0.00 nm處的電流值稍微高于X=45 nm處，這是由于該點(diǎn)正好位于柵極的正中央，重離子注入時(shí)躲避了高濃度的漏區(qū), 從而減小了復(fù)合電流, 而且距離漏/體的位置更近一些。由圖5還可以看出，注入位置離敏感區(qū)越近，漏極瞬態(tài)電流越大。

圖5 不同注入位置的瞬態(tài)電流

4 結(jié)束語

本文主要通過計(jì)算機(jī)模擬仿真驗(yàn)證了漏斗模型的正確性，并且通過二維數(shù)值仿真分析了單軸應(yīng)變Si納米NMOSFET器件在不同漏極偏置電壓，不同溝道長度以及不同注入位置對瞬態(tài)電流大小的影響。模擬結(jié)果顯示，器件的單粒子瞬態(tài)電流以及收集電荷隨著漏極偏置電壓的增大而增大，隨著溝道長度的減小而增大。由于目前微電子器件尺寸的不斷縮減，導(dǎo)致以源區(qū)、體區(qū)以及漏區(qū)分別被看作發(fā)射區(qū)、基區(qū)以及集電區(qū)的寄生晶體管更容易開啟。此外，通過仿真結(jié)果分析，不同注入位置下的單粒子效應(yīng)，此處的漏極瞬態(tài)電流大小與對應(yīng)位置的電場強(qiáng)度成正比關(guān)系。因此，本文仿真結(jié)果為研究納米級(jí)單軸應(yīng)變Si NMOSFET應(yīng)變集成器件可靠性及電路的應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)。