納米體硅鰭形場(chǎng)效應(yīng)晶體管單粒子瞬態(tài)中的源漏導(dǎo)通現(xiàn)象*

盧超 陳偉 羅尹虹 丁李利 王勛 趙雯 郭曉強(qiáng) 李賽

1)(清華大學(xué)工程物理系,粒子技術(shù)與輻射成像(教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室),北京 100084)

2)(西北核技術(shù)研究院,強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710024)

3)(中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心,北京 101400)

體硅鰭形場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FinFET)是晶體管尺寸縮小到30 nm以下應(yīng)用最多的結(jié)構(gòu),其單粒子瞬態(tài)產(chǎn)生機(jī)理值得關(guān)注.利用脈沖激光單粒子效應(yīng)模擬平臺(tái)開(kāi)展了柵長(zhǎng)為 30,40,60,100 nm FinFET 器件的單粒子瞬態(tài)實(shí)驗(yàn),研究FinFET器件單粒子瞬態(tài)電流脈沖波形隨柵長(zhǎng)變化情況;利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(technology computer-aided design,TCAD)軟件仿真比較電流脈沖產(chǎn)生過(guò)程中器件內(nèi)部電子濃度和電勢(shì)變化,研究漏電流脈沖波形產(chǎn)生的物理機(jī)理.研究表明,不同柵長(zhǎng)FinFET器件瞬態(tài)電流脈沖尾部都存在明顯的平臺(tái)區(qū),且平臺(tái)區(qū)電流值隨著柵長(zhǎng)變短而增大;入射激光在器件溝道區(qū)下方體區(qū)產(chǎn)生高濃度電子將源漏導(dǎo)通產(chǎn)生導(dǎo)通電流,而源漏導(dǎo)通升高了體區(qū)電勢(shì),抑制體區(qū)高濃度電子擴(kuò)散,使得導(dǎo)通狀態(tài)維持時(shí)間長(zhǎng),形成平臺(tái)區(qū)電流;尾部平臺(tái)區(qū)由于持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),收集電荷量大,會(huì)嚴(yán)重影響器件工作狀態(tài)和性能.研究結(jié)論為納米FinFET器件抗輻射加固提供理論支撐.

1 引 言

體硅FinFET器件由于獨(dú)特的三維多柵結(jié)構(gòu)而擁有杰出的靜電延展性和柵控能力,可以克服短溝道效應(yīng)對(duì)器件特征尺寸繼續(xù)縮小的限制,使得CMOS器件尺寸可以持續(xù)縮小到22 nm以下[1].同時(shí)其與傳統(tǒng)平面工藝的兼容性,使得在提高性能的同時(shí),可以有效的控制成本,目前 Intel和Xilinx等芯片廠商已經(jīng)將商用FinFET器件尺寸縮小到16 nm甚至更小尺寸.將FinFET器件應(yīng)用于航天器中,宇宙空間中存在的高能離子會(huì)穿過(guò)航天器的屏蔽層輻照其中的電子系統(tǒng),在半導(dǎo)體器件上產(chǎn)生總劑量效應(yīng)和單粒子效應(yīng)等輻射效應(yīng),而對(duì)于納米器件單粒子效應(yīng)是影響器件性能的主要輻射效應(yīng)[2].因此,對(duì)于FinFET器件單粒子效應(yīng)的研究非常重要.

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)FinFET器件單粒子效應(yīng)開(kāi)展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究并取得了一定的成果.國(guó)外學(xué)者對(duì)于FinFET單粒子效應(yīng)的研究主要包括對(duì)電路單粒子翻轉(zhuǎn)截面的研究[3?7]和對(duì)器件單粒子瞬態(tài)的研究[8?14].Nsengiyumva 等[3,4]研究了16 nm 體硅FinFET觸發(fā)器和28 nm平面器件觸發(fā)器在不同LET、不同入射位置、不同供電電壓等條件下的翻轉(zhuǎn)截面,得到FinFET器件單粒子翻轉(zhuǎn)截面響應(yīng)與平面器件的差異;文獻(xiàn)[5?7]報(bào)道了重離子入射角度和偏壓對(duì)14/16 nm體硅FinFET D觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)截面的影響及其機(jī)理;文獻(xiàn)[8]研究了FinFET參數(shù)變化對(duì)邏輯電路中單粒子瞬態(tài)的影響;文獻(xiàn)[9]研究了平面器件和FinFET器件單粒子閂鎖敏感性差異.文獻(xiàn)[10?12]全面地研究了柵長(zhǎng)為50和100 nm InGaAs溝道FinFET器件單粒子瞬態(tài)與器件Fin寬、襯底種類(lèi)、偏置電壓和入射激光波長(zhǎng)的相關(guān)性,并結(jié)合 TCAD仿真研究得到InGaAs器件的電荷收集機(jī)制.文獻(xiàn)[13,14]通過(guò)激光和重離子實(shí)驗(yàn)研究比較了70 nm體硅和SOI FinFET器件的單粒子瞬態(tài)響應(yīng),得到體硅器件相比 SOI有更大的半高寬和幅值,并給出體硅FinFET器件單粒子效應(yīng)敏感位置.國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于FinFET器件單粒子效應(yīng)的研究較少,以對(duì)器件單粒子瞬態(tài)仿真研究為主[15?19].文獻(xiàn) [15?17]利用TCAD仿真研究得到FinFET器件fin結(jié)構(gòu)參數(shù)、偏置電壓與單粒子瞬態(tài)脈沖寬度的相關(guān)性和FinFET器件版圖結(jié)構(gòu)與器件間單粒子多瞬態(tài)效應(yīng)(SEMT)的相關(guān)性.文獻(xiàn)[18]仿真研究入射粒子LET值、入射位置、器件偏置電壓和器件參數(shù)對(duì)SOI FinFET器件單粒子瞬態(tài)的影響,得到脈沖幅值和收集電荷量隨這些變量的變化關(guān)系.文獻(xiàn)[19]仿真研究了體硅和SOI FinFET器件單粒子瞬態(tài)中電荷漂移和雙極放大效應(yīng)的貢獻(xiàn),得出在體硅器件中單粒子瞬態(tài)脈沖由電荷漂移和雙極放大效應(yīng)共同引起,而在SOI器件中以雙極放大效應(yīng)為主.

綜合來(lái)看,目前對(duì)于體硅FinFET器件單粒子效應(yīng)電路層面的研究和InGaAs溝道FinFET器件單粒子瞬態(tài)的研究較多,而對(duì)于應(yīng)用更多的柵長(zhǎng)30 nm以下的小尺寸Si溝道FinFET器件單粒子瞬態(tài)的研究幾乎沒(méi)有.對(duì)于Si溝道FinFET器件柵長(zhǎng)由100 nm縮小到30 nm或更小時(shí),是否會(huì)有新的因素影響單粒子瞬態(tài)產(chǎn)生的物理機(jī)制尚不明確.

本文結(jié)合激光單粒子實(shí)驗(yàn)和TCAD重離子仿真利用現(xiàn)有FinFET器件研究體硅FinFET器件柵長(zhǎng)由100 nm縮小到30 nm,器件重離子單粒子瞬態(tài)的波形變化以及造成該變化的物理機(jī)制,研究結(jié)論將對(duì)更小尺寸FinFET器件單粒子瞬態(tài)提供理論參考.結(jié)合激光實(shí)驗(yàn)和TCAD仿真是目前研究FinFET器件單粒子瞬態(tài)的重要方法.首先利用激光微束從正面輻照器件獲得30—100 nm柵長(zhǎng)體硅FinFET器件單粒子瞬態(tài)波形和收集電荷情況,分析得到柵長(zhǎng)變短對(duì)器件單粒子瞬態(tài)脈沖的影響.然后利用三維TCAD仿真研究器件在不同襯底厚度、柵長(zhǎng)、入射位置和入射離子束寬度下的單粒子瞬態(tài)產(chǎn)生過(guò)程,比較產(chǎn)生過(guò)程中器件內(nèi)部電子濃度和電勢(shì)分布變化,得到柵長(zhǎng)變短時(shí)FinFET器件重離子單粒子瞬態(tài)產(chǎn)生的物理機(jī)制.

2 器件結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)條件

2.1 器件結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)采用的器件為中國(guó)科學(xué)院微電子研究所提供的Si襯底N溝道FinFET器件,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1所示.器件是在 725 μm 硅片上形成,襯底之上為溝道截止區(qū)(channel stop)和氧化層隔離槽,溝道截止區(qū)摻雜為 2 × 1018銦摻雜,溝道截止區(qū)上為源、漏和鰭(fin)區(qū),源、漏和鰭區(qū)實(shí)際形狀為梯形,高為 35 nm,上底寬為 7 nm,下底寬為13 nm.源漏為 2 × 1020的磷摻雜,鰭區(qū)為 2 × 1018的硼摻雜.鰭上為 0.6 nm 氧化層,氧化層上為2.4 nm HfO2和5 nm TiAl形成的疊柵.實(shí)驗(yàn)采用雙鰭和四鰭兩種器件,鰭間距都為 3 μm,采取 4種不同柵長(zhǎng)器件,分別為 30,40,60和100 nm.

圖1 雙鰭 FinFET 器件結(jié)構(gòu)模型Fig.1.The structure of two fin FinFET device.

2.2 實(shí)驗(yàn)條件

激光單粒子瞬態(tài)測(cè)試實(shí)驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心完成,使用的激光參數(shù)為: 激光脈寬為 30 ps,重復(fù)頻率為 1 kHz,激光波長(zhǎng)為1064 nm,光子能量為 1.168 eV,光斑直徑 1 μm,激光能量可從0 變化到10 nJ.實(shí)驗(yàn)中采用激光能量為 5 nJ,根據(jù)相關(guān)報(bào)道中公式估算[20,21],5 nJ 激光在FinFET器件有源區(qū)的等效LET值大概為5 MeV·cm2/mg,在近地輻射環(huán)境中該 LET 對(duì)應(yīng)的粒子豐度較大[22],因此利用5 nJ激光研究器件單粒子瞬態(tài)對(duì)評(píng)估器件在空間輻射環(huán)境中單粒子效應(yīng)具有實(shí)際意義.實(shí)驗(yàn)測(cè)試電路原理圖如圖2所示,我們使用的是未封裝的FinFET裸片,偏壓由電源通過(guò)探針輸入.激光從器件柵極頂部入射,漏端產(chǎn)生的單粒子瞬態(tài)由高頻探針引出,經(jīng)過(guò)電容器被示波器采集,使用的示波器帶寬為 20 GHz,采樣率為80 GS/s.由于FinFET器件在電路中工作狀態(tài)有開(kāi)態(tài)和關(guān)態(tài)兩種,開(kāi)態(tài)偏壓為漏端接高電平工作電壓,柵極接高電平閾值電壓,源襯底接地;關(guān)態(tài)偏壓為漏端接高電平工作電壓,柵、源和襯底接地.開(kāi)態(tài)時(shí),器件對(duì)單粒子瞬態(tài)不敏感,目前研究器件單粒子瞬態(tài)時(shí),通常選擇關(guān)態(tài)偏壓.因此,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所加偏壓為源、柵極和襯底接地,漏端接器件工作電壓 Vd=0.8 V.

圖2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試電路圖Fig.2.The circuit schematic of experience.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖3為鰭數(shù)量為 4,柵長(zhǎng)分別為 100,60和40 nm器件在5 nJ激光脈沖照射下的漏電流瞬態(tài)脈沖.結(jié)果顯示: 三種柵長(zhǎng)FinFET器件漏電流在0.55 ns以前先快速上升再快速下降,與平面器件單粒子瞬態(tài)波形相同;而在0.55 ns以后開(kāi)始緩慢下降,形成明顯的電流平臺(tái)區(qū),并且隨著柵長(zhǎng)變短,平臺(tái)區(qū)電流值增大,而在平面器件中漏電流脈沖尾部?jī)H存在由電荷擴(kuò)散引起的持續(xù)時(shí)間0.3 ns左右的平臺(tái)區(qū)[23].圖4顯示三種器件漏端收集電荷隨時(shí)間的變化關(guān)系,在前0.55 ns三種柵長(zhǎng)器件收集電荷分別為 0.099,0.142和0.177 pC,而 0.55 s到2.5 ns平臺(tái)區(qū)收集電荷為 0.052,0.096和0.18 pC.可以看出隨著柵長(zhǎng)變短,平臺(tái)區(qū)收集電荷量增大,且其對(duì)總收集電荷的貢獻(xiàn)增大,三種器件在0.55—2.50 ns平臺(tái)區(qū)收集電荷量分別為總收集電荷量的 34%,40%和51%.由于在 2.5 ns時(shí)器件漏電流還未減小到零,平臺(tái)區(qū)電流還將繼續(xù)存在,其收集電荷將繼續(xù)增大.因此,雖然平臺(tái)區(qū)電流相對(duì)漏電流脈沖幅值較小,但是其持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),收集電荷量大,會(huì)嚴(yán)重影響器件工作狀態(tài)和性能.

圖3 4 鰭不同柵長(zhǎng) FinFET 器件在 5 nJ 激光照射下的漏電流脈沖Fig.3.Drain current transients for 4 fin FinFET of different gate length during the 5 nJ laser testing.

圖4 4 鰭不同柵長(zhǎng)器件在 5 nJ 激光入射下漏端收集電荷與時(shí)間關(guān)系Fig.4.Drain charge collected for 4 fin FinFET of different gate length during the 5 nJ laser testing as a function of time.

圖5顯示鰭數(shù)量為 2時(shí),100和30 nm柵長(zhǎng)FinFET器件在5 nJ脈沖激光入射下漏電流瞬態(tài)脈沖,由圖 5 中數(shù)據(jù)可以看出,柵長(zhǎng)為 100 nm 雙鰭FinFET器件比四鰭器件更快的形成平臺(tái)區(qū),且平臺(tái)區(qū)在 2.5 ns時(shí)收集電荷量為 0.25 pC,遠(yuǎn)大于四鰭器件時(shí)的 0.052 pC.而柵長(zhǎng)為 30 nm 雙鰭器件漏電流在 2.5 ns時(shí)依然保持在 0.15 mA,按照平臺(tái)區(qū)電流的下降速度計(jì)算得到平臺(tái)區(qū)電流將在10 ns左右減小到零,這樣?xùn)砰L(zhǎng)為 30 nm FinFET器件平臺(tái)區(qū)收集電荷將超過(guò)總收集電荷的65%,平臺(tái)區(qū)電流成為單粒子瞬態(tài)影響器件性能和工作狀態(tài)的主要原因.

圖5 雙鰭 100和30 nm 柵長(zhǎng)器件在 5 nJ 激光入射下漏電流脈沖Fig.5.Drain current transients for 2 fin FinFET of different gate length during the 5 nJ laser testing.

綜上,在柵長(zhǎng)為100 nm以下FinFET器件單粒子瞬態(tài)中平臺(tái)區(qū)電流不可忽視,且隨著柵長(zhǎng)變短,平臺(tái)區(qū)電流成為單粒子瞬態(tài)影響器件性能的主要原因,因此,對(duì)其產(chǎn)生機(jī)制的研究將變得非常重要.FinFET器件漏電流脈沖在平臺(tái)區(qū)之前產(chǎn)生機(jī)制以漂移為主,而對(duì)于平臺(tái)區(qū)電流形成機(jī)制尚不明確.接下來(lái)通過(guò)三維TCAD 重離子單粒子效應(yīng)仿真研究器件單粒子瞬態(tài)漏電流脈沖平臺(tái)區(qū)產(chǎn)生機(jī)理.

4 三維TCAD仿真

三維TCAD模擬重離子單粒子效應(yīng),通過(guò)比較不同襯底厚度,不同柵長(zhǎng),和不同入射條件下器件漏電流脈沖響應(yīng)和器件內(nèi)部電子濃度和電勢(shì)變化,得出實(shí)驗(yàn)中觀察到的漏電流脈沖平臺(tái)區(qū)形成機(jī)理.

由于實(shí)驗(yàn)中雙鰭和四鰭器件是通過(guò)單鰭器件并行排列組成,因此多鰭結(jié)構(gòu)雖然會(huì)對(duì)器件單粒子瞬態(tài)有影響,但是不同鰭數(shù)量器件產(chǎn)生單粒子瞬態(tài)的物理機(jī)理一致,從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中也可以看出雙鰭器件和四鰭器件漏電流瞬態(tài)波形基本一致.因此仿真中采用單鰭FinFET器件,以便更清楚地研究納米FinFET器件柵長(zhǎng)變短時(shí)單粒子瞬態(tài)平臺(tái)區(qū)產(chǎn)生機(jī)理.仿真器件模型通過(guò)與實(shí)驗(yàn)器件相同工藝建模得到,除了鰭數(shù)量,器件結(jié)構(gòu)和摻雜參數(shù)都與實(shí)驗(yàn)器件相同,并通過(guò)校準(zhǔn)使得單鰭FinFET仿真器件與實(shí)驗(yàn)所采用的雙鰭和四鰭FinFET器件具有相同的工作電壓和閾值電壓.圖6給出了在漏端電壓為0.8 V時(shí),柵長(zhǎng)為30 nm單鰭仿真器件和2鰭、4鰭實(shí)驗(yàn)器件轉(zhuǎn)移特性曲線 Id-Vg,可以看出三者在工作電壓0.8 V時(shí)具有相同的閾值電壓.

圖6 單鰭 FinFET 仿真器件和2 鰭、4 鰭 FinFET 實(shí)驗(yàn)器件 Id-Vg 曲線Fig.6.Id-Vg for simulation single-fin FinFET and experimental 2 and 4 fins FinFET.

偏壓條件與實(shí)驗(yàn)相同,漏端反偏 0.8 V,源、襯底和柵極接地.重離子垂直從器件頂部入射,在器件中產(chǎn)生電荷密度為

電荷產(chǎn)生徑向分布R(w/wt)為高斯分布,wt為特征半徑,可取不同值;入射離子束隨時(shí)間分布T(t)也為高斯分布,中心時(shí)間為 1 ns,特征時(shí)間為0.002 ns;LET(linear energy transfer)為即線性能量傳輸,單位為 MeV·cm2/mg.沿入射深度方向LET均勻分布.

4.1 襯底擴(kuò)散對(duì)漏電流脈沖的影響

首先研究平臺(tái)區(qū)電流是否與襯底厚度有關(guān).建立有源區(qū)結(jié)構(gòu)完全相同,襯底厚度分別為0.1和0.9 μm FinFET 器件,器件柵長(zhǎng)為 30 nm,入射離子束特征半徑取為50 nm,LET 值為 5 MeV·cm2·mg–1.圖7為兩種器件在重離子入射下的漏電流脈沖,可以看出襯底厚度增大引起的擴(kuò)散電流主要作用在1.12 ns以前的漏電流下降階段,使得漏電流脈沖脈寬增大,在1.12 ns以后兩種襯底厚度器件漏電流基本相同,電流維持在0.15 mA緩慢下降,這說(shuō)明襯底擴(kuò)散會(huì)增大電流脈沖寬度,但不影響拖尾平臺(tái)區(qū)電流.為了仿真更快速,接下來(lái)仿真中我們采用器件襯底厚度為0.1 μm.

圖7 TCAD模擬下襯底厚度為0.1和0.9 μm,柵長(zhǎng)為30 nm FinFET 器件漏電流脈沖Fig.7.Drain current transients for FinFET of different substrate thickness from TCAD simulation.

4.2 源漏導(dǎo)通對(duì)漏電流脈沖的影響

比較不同柵長(zhǎng)器件在相同重離子入射下單粒子瞬態(tài)響應(yīng)和器件內(nèi)部電子濃度和電勢(shì)分布變化,得到漏電流脈沖尾部平臺(tái)區(qū)形成機(jī)理;結(jié)合30 nm器件在不同離子束寬度入射下單粒子瞬態(tài)響應(yīng),得出平臺(tái)區(qū)電流與器件結(jié)構(gòu)及入射條件關(guān)系;比較不同入射位置,漏電流脈沖平臺(tái)區(qū)變化,得到平臺(tái)區(qū)電流與入射位置關(guān)系.

4.2.1 不同柵長(zhǎng)

對(duì)柵長(zhǎng)為 30,60和100 nm FinFET 器件進(jìn)行重離子注入.重離子垂直于柵極入射,離子束特征半徑為 15 nm,LET 值為 5 MeV·cm2·mg–1,離子束中心入射時(shí)間為1 ns,其他參數(shù)為默認(rèn)值.

圖8為三種器件在重離子入射下漏電流脈沖,可以看出柵長(zhǎng)30和60 nm器件,漏電流脈沖尾部存在平臺(tái)區(qū),平臺(tái)區(qū)電流分別為0.07和0.02 mA,而柵長(zhǎng)100 nm器件漏電流脈沖不存在尾部平臺(tái)區(qū),在 1.04 ns時(shí)其電流值為 10–5mA.說(shuō)明在重離子仿真中隨著柵長(zhǎng)變短,漏電流脈沖尾部出現(xiàn)平臺(tái)區(qū),且平臺(tái)區(qū)電流值逐漸增大,這與激光單粒子實(shí)驗(yàn)得到規(guī)律基本相同;仿真得到的漏電流脈沖寬度小于實(shí)驗(yàn)結(jié)果,主要是因?yàn)榉抡嫫骷r底厚度取0.1 μm,缺少了擴(kuò)散電流的影響.

圖8 TCAD 模擬下不同柵長(zhǎng) FinFET 器件漏電流脈沖Fig.8.Drain current transients for FinFET of different gate length from TCAD simulation.

圖9 重離子產(chǎn)生的電荷徑向分布Fig.9.Charge generation radial distribution of heavy ion.

比較柵長(zhǎng)30 nm FinFET器件在漏電流瞬態(tài)脈沖形成過(guò)程中電子濃度和電勢(shì)變化.特征半徑為15 nm的離子束在器件中的電荷產(chǎn)生率為圖9中實(shí)心原點(diǎn)連線所示,紅色和黑色圓點(diǎn)分別代表線性坐標(biāo)和指數(shù)坐標(biāo).其在半徑38 nm內(nèi)都可電離出 1 × 1030以上的電子空穴對(duì).所以特征半徑15 nm重離子束會(huì)在柵長(zhǎng)30 nm器件鰭區(qū)、部分源區(qū)、部分漏區(qū)以及他們下方的體區(qū)產(chǎn)生高濃度電子空穴對(duì).圖10為重離子入射前(0 ns)、入射中(1 ns)和入射后(1.5 ns)30 nm 器件中電子濃度和電勢(shì)分布.對(duì)照漏電流脈沖波形的時(shí)間特性和電子濃度變化,重離子入射柵長(zhǎng)30 nm器件時(shí),在器件中產(chǎn)生高濃度電子空穴對(duì).由于器件偏壓和不同區(qū)域摻雜不同,電子由漏-體結(jié)和源-體結(jié)收集,而空穴由襯底漂移收集,當(dāng)重離子入射結(jié)束,溝道區(qū)由于體積較小且與源漏直接接觸,該區(qū)產(chǎn)生的高濃度電子被源漏端快速收集;襯底區(qū)產(chǎn)生高濃度電子由于偏壓關(guān)系向上漂移,使得電子濃度減小;而溝道stop區(qū)產(chǎn)生的高濃度電子雖然也會(huì)被源漏收集,但是因?yàn)椴恢苯咏佑|源漏,收集速度較慢,而且有來(lái)自襯底的飄移電子的補(bǔ)充,襯底電子漂移到溝道stop區(qū),由于漏端偏壓在溝道stop區(qū)產(chǎn)生的電場(chǎng)不是指向溝道,而是指向漏端,因此向溝道漂移的電子減少,所以最終只在溝道stop留下高濃度電子,如圖10中FinFET器件在1.5 ns時(shí)的電子濃度分布.該區(qū)域電子濃度遠(yuǎn)高于空穴濃度,使得其性質(zhì)與n型半導(dǎo)體相同,將源漏導(dǎo)通.源漏導(dǎo)通使得溝道stop區(qū)電勢(shì)升高,電勢(shì)差造成的電場(chǎng)力抑制了高濃度電子向四周擴(kuò)散,所以源漏導(dǎo)通狀態(tài)維持較長(zhǎng)時(shí)間.而由于漏端偏壓高于源端,則電子不斷的由源端流向漏端,形成漏電流脈沖的平臺(tái)區(qū).

圖10 重離子入射前、入射中和入射后30 nm FinFET器件內(nèi)部電子濃度和電勢(shì)分布Fig.10.Temporary evolution of electronic density and electrostatic potential for a 30 nm FinFET.

比較三種柵長(zhǎng)器件1.5 ns時(shí)電子濃度分布,如圖11所示,可以看出三種器件溝道stop區(qū)電子濃度都高于周?chē)鷧^(qū)域,柵長(zhǎng)30和60 nm器件源和漏被溝道stop內(nèi)高濃度電子所導(dǎo)通,在漏電流脈沖尾部形成平臺(tái)區(qū)電流.但是在柵長(zhǎng)為100 nm時(shí),由于柵長(zhǎng)較長(zhǎng),源漏距離遠(yuǎn),高濃度電子區(qū)域不能將源漏導(dǎo)通,所以100 nm器件漏電流脈沖不存在拖尾.

圖11 不同柵長(zhǎng) FinFET 器件在 1.5 ns 時(shí)的電子濃度Fig.11.Electronic density for FinFET of different gate length at 1.5 ns.

4.2.2 不同離子束半徑

取離子束特征半徑 wt分別為 50,15,5和2 nm來(lái)研究其對(duì)漏電流脈沖的影響.在LET相同時(shí),4種不同離子束寬度在柵長(zhǎng)30 nm FinFET中造成的漏電流脈沖瞬態(tài)為圖12所示,由圖12可以看出,相同LET時(shí),隨著入射粒子束變寬,漏電流脈沖幅值變小.相比于離子束半徑為2和5 nm,當(dāng)離子束特征半徑為15和50 nm時(shí),漏電流脈沖出現(xiàn)平臺(tái)區(qū),且50 nm時(shí)漏電流脈沖尾部平臺(tái)區(qū)電流值大于15 nm.

圖12 30 nm 器件在不同特征半徑重離子入射下漏電流脈沖Fig.12.Drain current transient for 30 nm FinFET when heavy ion incident device with different radius.

對(duì)于脈沖幅值變化解釋: 圖9所示為離子束寬度為5和15 nm時(shí)器件中電荷產(chǎn)生率徑向分布,相同LET,入射離子束越窄,在離子束中心處產(chǎn)生的電子空穴對(duì)濃度越高,則漂移電流越大,漏電流脈沖幅值越大.

而當(dāng)重離子束特征半徑在5 nm以上時(shí)器件源漏將會(huì)被重離子電離產(chǎn)生的電子導(dǎo)通,其特征半徑越大,導(dǎo)通現(xiàn)象越嚴(yán)重.源漏導(dǎo)通就會(huì)導(dǎo)致拖尾平臺(tái)區(qū)電流,所以在圖12中,特征半徑在5 nm以上時(shí),漏電流脈沖尾部存在平臺(tái)區(qū),且平臺(tái)區(qū)電流值隨著特征半徑增大而增大.特征半徑為2和5 nm時(shí),電離產(chǎn)生的電子較窄,不能將源漏導(dǎo)通,所以其漏電流在1.04 ns時(shí)就恢復(fù)到重離子入射前狀態(tài).結(jié)合不同柵長(zhǎng)器件源漏導(dǎo)通現(xiàn)象,得到在垂直柵極入射時(shí),當(dāng)入射離子束特征寬度大于入射器件柵長(zhǎng)的1/3時(shí),源漏就會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)通.因?yàn)橹仉x子離子束在3倍的特征寬度范圍內(nèi)可以電離出導(dǎo)通器件源漏的高濃度電子.

4.2.3 重離子入射位置

圖13為重離子垂直入射柵長(zhǎng)30 nm器件漏、柵極時(shí)漏電流脈沖波形.當(dāng)重離子在柵極入射時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的拖尾平臺(tái)區(qū)電流,而在漏極入射時(shí),漏電流在1.05 ns時(shí)基本恢復(fù)到入射前狀態(tài).該結(jié)果和上述理論相符,重離子入射柵極,源漏導(dǎo)通導(dǎo)致漏電流脈沖平臺(tái)區(qū);而重離子入射漏極時(shí),在漏極中心電離產(chǎn)生高濃度電子空穴對(duì),沒(méi)有覆蓋到源極,不能將源漏導(dǎo)通,所以漏電流會(huì)很快降低.因此對(duì)于同一器件,入射位置靠近柵極中心,器件更容易發(fā)生源漏導(dǎo)通.

圖13 當(dāng)重離子從柵極和漏極入射時(shí),FinFET 器件的漏電流脈沖Fig.13.Drain current transient for a FinFET when heavy ion incident at drain and gate.

5 結(jié) 論

利用激光微束實(shí)驗(yàn)和三維TCAD仿真研究柵長(zhǎng)30—100 nm體硅FinFET器件單粒子瞬態(tài).激光實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,柵長(zhǎng)100 nm以下FinFET器件漏電流脈沖在尾部存在明顯的平臺(tái)區(qū),這在大尺寸器件中不存在.且隨著柵長(zhǎng)變短,平臺(tái)區(qū)電流值增大,平臺(tái)區(qū)持續(xù)時(shí)間在 10 ns左右;柵長(zhǎng) 100,60,40和30 nm器件平臺(tái)區(qū)收集電荷量分別為脈沖總收集電荷的 34%,40%,51%和65%,隨著柵長(zhǎng)變短,平臺(tái)區(qū)收集電荷對(duì)總收集電荷的貢獻(xiàn)增大,成為單粒子瞬態(tài)中對(duì)器件工作狀態(tài)和性能的影響最大的部分.三維TCAD仿真揭示了100 nm以下FinFET器件漏電流脈沖尾部平臺(tái)區(qū)產(chǎn)生的物理機(jī)理為源漏導(dǎo)通.器件柵長(zhǎng)變短,離子束特征寬度接近器件柵長(zhǎng)時(shí)會(huì)在器件溝道和溝道下方體區(qū)產(chǎn)生高濃度電子空穴對(duì),襯底對(duì)空穴的收集速度大于源漏對(duì)電子的收集速度,重離子入射結(jié)束,在器件體區(qū)留下高濃度電子將源漏導(dǎo)通,產(chǎn)生源漏導(dǎo)通電流.源漏導(dǎo)通使器件體區(qū)電勢(shì)升高,抑制了體區(qū)高濃度電子擴(kuò)散,形成漏電流脈沖平臺(tái)區(qū).研究結(jié)論指出,對(duì)于 100 nm 以下體硅 FinFET 器件,單粒子瞬態(tài)中的平臺(tái)區(qū)電流會(huì)嚴(yán)重影響器件工作狀態(tài)和性能,這是FinFET器件單粒子效應(yīng)中需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題,也是將FinFET器件應(yīng)用到航天器上需要克服的難題.而平臺(tái)區(qū)電流產(chǎn)生機(jī)理為體硅FinFET工藝下器件和電路的抗輻射加固設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo),具有重要意義.