脈沖γ 射線誘發(fā)N 型金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管縱向寄生效應(yīng)開(kāi)啟機(jī)制分析*

李俊霖 李瑞賓 丁李利 陳偉 劉巖

1) (西北核技術(shù)研究所，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)

金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管作為大規(guī)模數(shù)字電路的基本單元，其內(nèi)部的寄生效應(yīng)一直以來(lái)被認(rèn)為是影響集成電路在脈沖γ 射線輻射環(huán)境中發(fā)生擾動(dòng)、翻轉(zhuǎn)以及閂鎖的重要因素.為研究脈沖γ 射線誘發(fā)N 型金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管內(nèi)部縱向寄生效應(yīng)的開(kāi)啟機(jī)制，通過(guò)TCAD 構(gòu)建了40，90 以及180 nm 3 種不同工藝節(jié)點(diǎn)的NMOS 晶體管進(jìn)行瞬時(shí)電離輻射效應(yīng)仿真，得到了縱向寄生三極管電流增益隨工藝節(jié)點(diǎn)的變化趨勢(shì)、縱向寄生三極管的開(kāi)啟條件及其對(duì)NMOS 晶體管工作狀態(tài)的影響.結(jié)果表明:1)脈沖γ 射線在輻射瞬時(shí)誘發(fā)NMOS 晶體管內(nèi)部阱電勢(shì)抬升是導(dǎo)致縱向寄生三極管開(kāi)啟的主要原因;2)當(dāng)縱向寄生三極管導(dǎo)通時(shí)，NMOS晶體管內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的二次光電流影響晶體管的工作狀態(tài);3) NMOS 晶體管內(nèi)部縱向寄生三極管的電流增益隨工藝節(jié)點(diǎn)的減小而減小.研究結(jié)果可為電子器件的瞬時(shí)電離輻射效應(yīng)機(jī)理研究提供理論依據(jù).

1 引言

隨著半導(dǎo)體制造工藝的不斷發(fā)展，高性能、高集成度的納米器件在航天、國(guó)防等關(guān)鍵電子系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，當(dāng)遭遇脈沖γ射線時(shí)，其工作可靠性會(huì)受到嚴(yán)重影響，因此納米器件的瞬時(shí)電離輻射效應(yīng)研究受到高度關(guān)注.高強(qiáng)度納秒級(jí)脈沖γ射線作用于電子器件時(shí)會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn)生強(qiáng)瞬時(shí)光電流[1-6]導(dǎo)致器件輸出擾動(dòng)[7，8]、數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)[9-12]，甚至閂鎖[13，14]及燒毀[8，15]，器件中金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管(metal oxide semiconductor field effect transistor，MOSFET)內(nèi)部的寄生結(jié)構(gòu)是瞬時(shí)光電流產(chǎn)生的基本敏感區(qū)域，研究寄生效應(yīng)在脈沖γ射線輻射環(huán)境下的開(kāi)啟機(jī)制，可以為電子器件的失效模式診斷與瞬時(shí)電離輻射效應(yīng)機(jī)理研究提供理論依據(jù).

MOS 管作為集成電路的基本單元，其內(nèi)部的寄生效應(yīng)一直以來(lái)被認(rèn)為是影響電子器件在瞬時(shí)電離輻射環(huán)境中正常工作的重要因素[6，9].國(guó)外對(duì)90 和130 nm PMOS 管開(kāi)展的單粒子效應(yīng)研究指出[16，17]，當(dāng)重離子轟擊PMOS 管漏極時(shí)會(huì)引起橫向寄生雙極放大效應(yīng)影響PMOS 管的工作狀態(tài)，但未討論縱向寄生效應(yīng)情況，在脈沖γ射線輻射環(huán)境下，縱向寄生效應(yīng)開(kāi)啟也會(huì)對(duì)MOS 管的輸出狀態(tài)產(chǎn)生明顯影響.國(guó)內(nèi)對(duì)大規(guī)模集成電路的瞬時(shí)電離輻射效應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析認(rèn)為[9，18]，MOS 管內(nèi)部的寄生三極管開(kāi)啟是降低電子器件損傷閾值的主要因素，但未對(duì)寄生三極管的開(kāi)啟機(jī)制及其電流增益隨特征尺寸的變化進(jìn)行深入研究.

本文通過(guò)TCAD 構(gòu)建不同工藝尺寸NMOS管器件模型，針對(duì)NMOS 管在大規(guī)模集成電路中的兩種典型工作狀態(tài)[19](NMOS 管截止:柵極、源極置低，漏極置高;NMOS 管導(dǎo)通:柵極置高，源極、漏極置低)開(kāi)展了仿真研究，分析了典型工作狀態(tài)下NMOS 管內(nèi)部縱向寄生三極管的開(kāi)啟條件;得到了縱向寄生三極管開(kāi)啟與二次光電流的關(guān)系以及縱向寄生三極管電流增益隨工藝尺寸的變化趨勢(shì).PMOS 管相比NMOS 管只是敏感區(qū)的摻雜類(lèi)型不同，但其縱向寄生三極管的開(kāi)啟機(jī)制與NMOS 管相同，文中未對(duì)PMOS 管的情況進(jìn)行討論，但針對(duì)NMOS 管的研究方法與理論分析適用于PMOS 管.

2 NMOS 管寄生效應(yīng)機(jī)理分析與模型構(gòu)建

2.1 寄生效應(yīng)機(jī)理分析

圖1 為NMOS 管寄生效應(yīng)示意圖，NMOS 管內(nèi)部共存在兩個(gè)寄生三極管，橫向的LT1 與縱向的VT2.由于源漏極與P 阱之間形成的寄生PN 結(jié)結(jié)面積與空間電荷區(qū)較小，而P 阱與N 型襯底之間形成的寄生PN 結(jié)結(jié)面積與空間電荷區(qū)較大，因此當(dāng)脈沖γ射線入射時(shí)，對(duì)初次光電流起放大作用產(chǎn)生二次光電流、對(duì)電子器件輸出造成影響的主要為VT2[20]，因此本文主要針對(duì)VT2 的開(kāi)啟機(jī)制及其影響進(jìn)行仿真分析.NMOS 管的源漏極為VT2 的發(fā)射極，P 阱為基極，襯底為收集極.當(dāng)源漏極與P 阱處于反偏狀態(tài)時(shí)，VT2 發(fā)射結(jié)反偏，VT2 無(wú)法導(dǎo)通.脈沖γ射線入射后，P 阱中產(chǎn)生大量電子空穴對(duì)，由于N 型襯底與電源相連，一部分電子很快被襯底收集而空穴大部分留在P 阱中，導(dǎo)致P 阱電勢(shì)的抬升.當(dāng)P 阱電勢(shì)抬升到一定程度時(shí)，源漏極與P 阱結(jié)正偏而襯底與P 阱結(jié)反偏時(shí)，VT2 的發(fā)射結(jié)正偏而集電結(jié)反偏，處于正向放大狀態(tài)，大量電子通過(guò)正偏的發(fā)射結(jié)注入P 阱，導(dǎo)致源漏電勢(shì)升高影響NMOS 管的工作狀態(tài).

圖1 NMOS 管寄生效應(yīng)示意圖Fig.1.Parasitic effect schematic of NMOS.

2.2 TCAD 器件模型校準(zhǔn)與仿真設(shè)置

本文構(gòu)建的NMOS 管器件模型結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)與工藝參數(shù)由表1 給出，二維剖面圖以及溝道處摻雜如圖2 及圖3 所示.在圖3 給出的NMOS 溝道處各部分摻雜中，通過(guò)閾值摻雜(Vtimplant)調(diào)節(jié)晶體管的閾值電壓，當(dāng)摻雜濃度增大時(shí)，溝道處載流子濃度增加，溝道反型所需電壓增大，閾值電壓升高;通過(guò)漏電摻雜調(diào)整晶體管的漏電流，摻雜濃度越高，漏電流越小;通過(guò)暈摻雜調(diào)節(jié)晶體管Id–Vds特性曲線斜率，摻雜濃度越大曲線斜率越大，其本質(zhì)是消除短溝道效應(yīng);源漏輕摻雜決定了器件的串聯(lián)電阻，對(duì)于器件的最大驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度有重要影響.通過(guò)反復(fù)調(diào)節(jié)這些摻雜的濃度，并與器件的SPICE模型常態(tài)特性進(jìn)行對(duì)比，對(duì)NMOS 管的TCAD 器件模型進(jìn)行常態(tài)特性校準(zhǔn).TCAD 仿真過(guò)程中，使用了電子與空穴輸運(yùn)方程、電子與空穴漂移擴(kuò)散模型、摻雜濃度對(duì)載流子遷移率影響模型、強(qiáng)電場(chǎng)下電子與空穴的速度飽和效應(yīng)模型、禁帶變窄模型、依賴(lài)摻雜濃度變化的肖克萊·霍爾·里德復(fù)合模型以及俄歇復(fù)合模型，針對(duì)40 nm 器件還添加了適用于小尺寸器件的流體動(dòng)力學(xué)模型.

圖2 NMOS 管二維剖面Fig.2.Two-dimensional profile of NMOS.

表1 不同尺寸NMOS 管結(jié)構(gòu)參數(shù)與工藝參數(shù)Table 1.Structure and process parameters of NMOS with different feature size.

圖3 NMOS 管溝道處摻雜Fig.3.Channel doping of NMOS.

利用SPICE 對(duì)3 種NMOS 管的轉(zhuǎn)移特性曲線與輸出特性曲線進(jìn)行了仿真，其中轉(zhuǎn)移特性曲線是通過(guò)固定源漏偏置掃描柵極電壓得到漏極電流隨柵極電壓的變化;輸出特性曲線是通過(guò)固定源極、柵極偏置掃描漏極電壓得到漏極電流隨柵極電壓的變化.3 種尺寸NMOS 管的常態(tài)特性校準(zhǔn)曲線如圖4—圖6 所示，在常態(tài)特性校準(zhǔn)過(guò)程中參考了文獻(xiàn)[21，22]，經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的三維器件模型常態(tài)電學(xué)特性Id-Vds曲線和Id-Vgs曲線與SPICE 模型保持一致.

圖4 40 nm NMOS 管常態(tài)特性校準(zhǔn)曲線 (a) 轉(zhuǎn)移特性曲線;(b) 輸出特性曲線Fig.4.Normal characteristic calibration curve of 40 nm NMOS:(a) Transfer characteristic curve;(b) output characteristic curve.

圖5 90 nm NMOS 管常態(tài)特性校準(zhǔn)曲線 (a)轉(zhuǎn)移特性曲線;(b) 輸出特性曲線Fig.5.Normal characteristic calibration curve of 90 nm NMOS:(a) Transfer characteristic curve;(b) output characteristic curve.

圖6 180 nm NMOS 管常態(tài)特性校準(zhǔn)曲線 (a) 轉(zhuǎn)移特性曲線;(b) 輸出特性曲線Fig.6.Normal characteristic calibration curve of 180 nm NMOS:(a) Transfer characteristic curve;(b) output characteristic curve.

3 脈沖γ 射線誘發(fā)縱向寄生三極管開(kāi)啟條件仿真分析

當(dāng)脈沖γ射線入射時(shí)，縱向寄生三極管的BE(基極-發(fā)射極)結(jié)和B-C(基極-集電極)結(jié)均會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)光電流.對(duì)于縱向寄生三極管，B-C 結(jié)的電荷收集體積遠(yuǎn)大于B-E 結(jié)，導(dǎo)致B-C 結(jié)產(chǎn)生的瞬時(shí)光電流遠(yuǎn)大于B-E 結(jié)產(chǎn)生的瞬時(shí)光電流，因此通常只考慮B-C 結(jié)產(chǎn)生的初次光電流.當(dāng)B-C 結(jié)產(chǎn)生的初次光電流入射至基極，基極電勢(shì)會(huì)相應(yīng)地抬升，當(dāng)基極電勢(shì)抬升使B-E 結(jié)正偏時(shí)，大量電子通過(guò)發(fā)射極入射至基極后被B-C 結(jié)收集，從而形成由集電極至發(fā)射極的二次光電流.二次光電流的表達(dá)式為Isp＝(1＋β)Ipp，式中β為寄生三極管的電流增益[6，23].二次光電流的產(chǎn)生會(huì)改變?cè)椿蚵O的偏置電壓，影響NMOS 管的工作狀態(tài).當(dāng)阱偏置接地時(shí)，分別設(shè)置NMOS 管處于截止?fàn)顟B(tài)(柵極偏置0 V、源極偏置0 V、漏極偏置1.2 V)與導(dǎo)通狀態(tài)(柵極偏置1.2 V、源極偏置0 V、漏極偏置0 V).設(shè)置脈沖γ射線參數(shù)為劑量率2×107Gy(Si)/s，脈沖寬度50 ns，脈沖持續(xù)時(shí)間為20—70 ns.在此條件下P 阱、襯底以及源漏產(chǎn)生的瞬時(shí)光電流如圖7 與圖8 所示.

圖7 NMOS 管截止時(shí)內(nèi)部瞬時(shí)光電流 (a) 源極、漏極瞬時(shí)光電流;(b) P 阱、襯底瞬時(shí)光電流Fig.7.Photocurrent of NMOS when channel is cut-off:(a) Photocurrent of source and drain;(b) photocurrent of P-well and substrate.

圖8 NMOS 管導(dǎo)通時(shí)內(nèi)部光電流 (a) 源極、漏極瞬時(shí)光電流;(b) P 阱、襯底瞬時(shí)光電流Fig.8.Photocurrent of NMOS when channel is turn-on:(a) Photocurrent of source and drain;(b) photocurrent of P-well and substrate.

阱偏置為0 V，脈沖γ射線劑量率為2×107Gy(Si)/s 條件下，源極與漏極產(chǎn)生納安級(jí)瞬時(shí)光電流，襯底與P 阱產(chǎn)生微安級(jí)瞬時(shí)光電流.漏極、源極、襯底電流為正、P 阱電流為負(fù)，縱向寄生三極管沒(méi)有導(dǎo)通，否則襯底產(chǎn)生的瞬時(shí)光電流會(huì)從漏或源極流出使其電流方向?yàn)樨?fù).NMOS 管內(nèi)部在輻射瞬時(shí)以及輻射過(guò)后的電勢(shì)分布如圖9 所示，在脈沖γ射線入射期間，NMOS 管內(nèi)部P 阱電勢(shì)沒(méi)有明顯變化，穩(wěn)定在0 V 附近，輻射瞬時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)光電流從阱接觸流入地.在脈沖γ射線劑量率為2×107Gy(Si)/s 時(shí)，NMOS 管內(nèi)部產(chǎn)生的瞬時(shí)光電流較小，沒(méi)有顯著改變P 阱電勢(shì)，縱向寄生的三極管未導(dǎo)通開(kāi)啟.當(dāng)脈沖γ射線劑量率增大到1×1010Gy(Si)/s 時(shí)，NMOS 管內(nèi)部在輻射瞬時(shí)以及輻射過(guò)后的電勢(shì)分布如圖10 所示(同樣以NMOS 管導(dǎo)通時(shí)為準(zhǔn)).

圖9 脈沖γ 射線劑量率為2×107Gy(Si)/s 時(shí)NMOS 管電勢(shì)分布隨時(shí)間變化 (a) 20 ns;(b) 70 ns;(c) 120 ns;(d) 200 nsFig.9.Variation of NMOS potential distribution over time when dose rate of transient γ-ray is 2×107Gy(Si)/s:(a) 20 ns;(b) 70 ns;(c) 120 ns;(d) 200 ns.

圖10 脈沖γ 射線劑量率為1×1010Gy(Si)/s 時(shí)NMOS 管電勢(shì)分布隨時(shí)間變化 (a) 20 ns;(b) 70 ns;(c) 120 ns;(d) 200 nsFig.10.Variation of NMOS potential distribution over time when dose rate of transient γ-ray is 1×1010Gy(Si)/s:(a) 20 ns;(b) 70 ns;(c) 120 ns;(d) 200 ns.

在1×1010Gy(Si)/s 劑量率條件下，脈沖γ射線入射瞬間在P 阱中產(chǎn)生更多的電子空穴對(duì)，電子迅速被襯底收集，而大量空穴來(lái)不及被阱接觸收集而留在P 阱中導(dǎo)致P 阱電勢(shì)明顯抬升.在此條件下，NMOS 管分別處于截止與導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)襯底、P 阱與源漏極的瞬時(shí)光電流如圖11 與圖12 所示.

圖11 NMOS 管截止時(shí)內(nèi)部瞬時(shí)光電流Fig.11.Photocurrent of NMOS when channel is cut-off.

圖12 NMOS 管導(dǎo)通時(shí)內(nèi)部瞬時(shí)光電流Fig.12.Photocurrent of NMOS when channel is turn-on.

當(dāng)NMOS 管處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，漏極偏置為1.2 V，源極偏置為0 V.漏極-P 阱-襯底之間的縱向寄生三極管由于發(fā)射結(jié)反偏無(wú)法開(kāi)啟.但由于源極偏置為0 V，源極-P 阱-襯底之間的縱向寄生三極管因發(fā)射結(jié)正偏而開(kāi)啟，源極作為發(fā)射極向襯底發(fā)射大量電子，在源極產(chǎn)生約2.4 mA 的二次光電流，如圖11 所示.當(dāng)NMOS 管導(dǎo)通時(shí)，源極與漏極的偏置均為0 V，在輻射瞬時(shí)漏極/源極-P 阱-襯底之間的縱向寄生三極管均由于發(fā)射結(jié)正偏而開(kāi)啟，NMOS 管的源極與漏極同時(shí)作為發(fā)射極向襯底發(fā)射大量電子，在NMOS 管的源極與漏極都會(huì)產(chǎn)生很大的二次光電流，如圖12 所示.根據(jù)以上仿真結(jié)果，在脈沖γ射線劑量率較小時(shí)，初次光電流引起的阱電勢(shì)變化較微弱，不足以達(dá)到縱向寄生三極管的開(kāi)啟條件，此時(shí)對(duì)NMOS 管產(chǎn)生輻射損傷的主要為初次光電流;而當(dāng)脈沖γ射線劑量率較高時(shí)，初次光電流引起的阱電勢(shì)變化劇烈，縱向寄生三極管的開(kāi)啟會(huì)在發(fā)射極產(chǎn)生強(qiáng)烈的二次光電流.其中當(dāng)NMOS 處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，只有NMOS管的源極作為寄生三極管的發(fā)射極;而當(dāng)NMOS管導(dǎo)通時(shí)，源漏極均成為寄生三極管的發(fā)射極產(chǎn)生強(qiáng)烈的二次光電流.

4 寄生效應(yīng)隨特征尺寸的變化趨勢(shì)

為分析縱向寄生效應(yīng)隨特征尺寸的變化趨勢(shì)，根據(jù)所構(gòu)建的3 種尺寸NMOS 管，仿真了NMOS管縱向寄生三極管的共發(fā)射極電流增益.如圖13所示，所有NMOS 管內(nèi)部的縱向寄生三極管的電流增益都表現(xiàn)出開(kāi)始隨P 阱電壓的升高而增大，當(dāng)P 阱電壓增大到一定程度時(shí)又隨P 阱電壓的增大而減小，這是由于發(fā)生了大注入效應(yīng)，導(dǎo)致發(fā)射極注入效率降低[24]，如圖14 所示.

圖13 縱向寄生三極管電流增益Fig.13.Gain of the vertial NPN triode vs voltage of pwell.

圖14 共發(fā)射極電流增益隨集電極電流變化趨勢(shì)Fig.14.Tendency of current gain of the common emitter to the current of collector.

隨著NMOS 管特征尺寸的減小，縱向寄生三極管共發(fā)射極電流增益逐漸減小.這主要是由于一方面阱的摻雜濃度不斷升高，導(dǎo)致縱向寄生三極管基區(qū)摻雜濃度升高，發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射的載流子在基區(qū)的復(fù)合率增加;另一方面阱深及阱面積不斷減小，導(dǎo)致集電結(jié)電荷收集體積的減小.兩個(gè)因素綜合影響導(dǎo)致縱向寄生三極管的電流增益降低.隨著特征尺寸的減小，縱向寄生三極管的電流增益逐漸減小，這也是小尺寸電子器件對(duì)于脈沖γ射線引起的閂鎖效應(yīng)敏感性逐漸降低的一個(gè)因素[13].

5 結(jié)論

本文針對(duì)NMOS 管在大規(guī)模集成電路中的兩種典型工作狀態(tài)在脈沖γ射線輻射環(huán)境中縱向寄生效應(yīng)的開(kāi)啟機(jī)制進(jìn)行了仿真研究.當(dāng)脈沖γ射線的劑量率較高時(shí)，P 阱產(chǎn)生的初次光電流強(qiáng)度較大，由于P 阱電阻的分壓會(huì)導(dǎo)致P 阱電勢(shì)的明顯抬升從而使縱向寄生三極管開(kāi)啟.當(dāng)NMOS 管處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，由于漏極處于高電位，二次光電流只能通過(guò)源極流入地線使地電位抬升;當(dāng)NMOS管導(dǎo)通時(shí)，由于源極與漏極均處于低電位，二次光電流會(huì)同時(shí)流向源極與漏極，一方面使地電位抬升，另一方面直接影響NMOS 管的輸出狀態(tài).根據(jù)TCAD 仿真結(jié)果，縱向寄生三極管的電流增益隨特征尺寸的減小而減小，這是小尺寸電子器件對(duì)脈沖γ射線引起閂鎖效應(yīng)敏感性越來(lái)越弱的重要因素.