4H-SiC 基FinFET 器件的單粒子瞬態(tài)效應(yīng)研究*

劉保軍，楊曉闊，陳名華

（1.空軍工程大學(xué)航空機(jī)務(wù)士官學(xué)校，河南信陽 464000;2.空軍工程大學(xué)基礎(chǔ)部，西安 710051）

1 引言

FinFET 器件具有很好的擴(kuò)展性和靜電特性，有望成為替代主流CMOS 的新型器件之一[1-2]。隨著空間技術(shù)、核科學(xué)的快速發(fā)展，先進(jìn)電子器件被廣泛應(yīng)用于航空、航天等空間輻射環(huán)境中。高能粒子入射器件敏感區(qū)可能會誘發(fā)單粒子效應(yīng)（SEE），造成電路故障甚至損壞。隨著器件特征尺寸的不斷縮減，單粒子瞬態(tài)（SET）效應(yīng)已成為空間輻射環(huán)境中對集成電路可靠性的主要威脅之一[3-4]。

SiC 作為繼Si 和GaAs 之后的第三代半導(dǎo)體材料，具有高擊穿電場、高載流子飽和漂移速度和高熱導(dǎo)率等優(yōu)點(diǎn)[5]。SiC 材料的寬禁帶和高原子臨界位移能，使得其器件具有較強(qiáng)的抗電磁波沖擊和抗輻射破壞的能力，特別是SiC 基的功率MOSFET 器件，表現(xiàn)出良好的抗單粒子?xùn)糯⊿EGR）和單粒子燒毀（SEB）性能。劉忠永等[5-6]研究了晶圓各向異性、超結(jié)和半超結(jié)、高介電常數(shù)k 柵介質(zhì)及電荷失配等對功率MOSFET 的SEB 和SEGR 的影響，研究發(fā)現(xiàn)，4H-SiC材料的抗SEB 和抗SEGR 的綜合性能更優(yōu)。LU 等[7]分析了幾種緩沖層結(jié)構(gòu)對SiC 功率MOSFET 器件SEE的影響，研究了重離子撞擊后的瞬態(tài)響應(yīng)機(jī)理。于慶奎等[8]研究了SiC 高壓功率MOSFET 和二極管SEE的敏感性，輻照實驗表明，重離子會使得SiC 功率器件內(nèi)部產(chǎn)生永久損傷，引起漏電流增加甚至燒毀器件。MCPHERSON 等[9]通過重離子輸運(yùn)物理分析和建模，直觀展示了SiC 功率器件的能量沉積和電荷產(chǎn)生過程。AKTURK 等[10]研究了Si 基和SiC 基功率器件的中子誘導(dǎo)單粒子失效機(jī)理，發(fā)現(xiàn)與Si 相比，SiC 由中子誘導(dǎo)的失效率較低，但暴露在類地面譜的中子環(huán)境中會出現(xiàn)災(zāi)難性失效。張鴻等[11-12]開展了SiC 功率MOSFET 的SEB 輻照實驗和TCAD 仿真，發(fā)現(xiàn)器件外延層的電場強(qiáng)度越大，重離子受電場作用在外延層運(yùn)動的路徑越長、沉積能量越多。尚也淳[13]認(rèn)為，由于SiC 的禁帶寬度比Si 的禁帶寬度高2～3 倍，即產(chǎn)生1個電子空穴對所需的能量更高，從而使得SiC 器件抗SEE 的能力比Si 強(qiáng)。

雖然國內(nèi)外針對SiC 功率MOSFET 器件的SEE開展了一些研究，但關(guān)于SiC 基FinFET 器件的SET效應(yīng)目前鮮有報道。因此，本文對SiC 基FinFET 器件電荷收集機(jī)理和瞬態(tài)電流產(chǎn)生機(jī)制開展了研究，對新型先進(jìn)器件在惡劣輻射環(huán)境中高可靠性的應(yīng)用具有一定的理論指導(dǎo)意義。

2 器件結(jié)構(gòu)及模型校準(zhǔn)

本研究以n 型14 nm SOI“高k 柵”Si 基FinFET器件為基礎(chǔ)，構(gòu)建其3D 仿真模型，并與實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行電學(xué)特性校準(zhǔn)，F(xiàn)inFET 器件模型及電學(xué)特性如圖1 所示，其中IDS為漏源電流，VDS為漏源電壓，VGS為柵源電壓。在此模型的基礎(chǔ)上，將Fin 的Si 材料替換為4H-SiC 材料，設(shè)置材料參數(shù)，構(gòu)建4H-SiC 基FinFET的仿真模型，器件參數(shù)如表1 所示。仿真用的物理模型包括與摻雜濃度和高k 柵介質(zhì)相關(guān)的遷移率退化模型、飛利浦標(biāo)準(zhǔn)化遷移率模型、高電場飽和模型、能帶隙和電子親和性模型、BQP（Bohm Quantum Potential）模型、SRH（Shockley-Read-Hall）和Auger 重組模型、費(fèi)米統(tǒng)計模型及重離子輻射模型等[14]，材料參數(shù)如表2所示。

表1 14 nm n 型4H-SiC FinFET 器件的參數(shù)設(shè)置

表2 4H-SiC 材料參數(shù)設(shè)置

圖1 FinFET 器件模型及電學(xué)特性

3 器件的SET 效應(yīng)

在進(jìn)行器件的SET 仿真時，設(shè)置高能粒子垂直入射器件源柵中間的Fin 敏感區(qū)，入射粒子的特征半徑為10 nm、特征時間為0.5 ps，在4 ps 時延后入射器件，運(yùn)行時間為1 ns。

3.1 不同F(xiàn)in 材料的SET

基于TCAD，利用能量為138MeV 的Cl 離子[15]入射3 種不同F(xiàn)in 材料的FinFET 器件[14,16]，該高能粒子在Si材料中的線性能量轉(zhuǎn)移（LET）為13.9 MeV·cm2·mg-1[15]，仿真結(jié)果如圖2 所示，收集電荷QC（t）[17]定義為：

圖2 3 種不同F(xiàn)in 材料的SET 電流和收集電荷

其中ID（t）表示器件漏極的瞬態(tài)電流。則雙極放大系數(shù)β 可以表示為：

其中QDep表示沉積電荷。

由圖2 可得，與Si 基材料相比，GaAs 和4H-SiC基的FinFET 抗SET 性能更好。GaAs 和4H-SiC 材料的瞬態(tài)電流峰值相對于Si 基材料分別下降了45.32%、79.64%；收集電荷量相對于Si 基材料分別下降了78.03%、83.35%，可見4H-SiC 基器件產(chǎn)生的瞬態(tài)電流最弱。4H-SiC 材料具有寬禁帶的特點(diǎn)，離子注入產(chǎn)生1 個電子空穴對所需要的能量要比Si 和GaAs材料所需的能量高2～3 倍[13]，因此，相同能量的粒子入射時，4H-SiC 基器件產(chǎn)生的電子空穴對數(shù)量少，形成的瞬態(tài)電流相對也較小，且瞬態(tài)電流的形成時刻要稍晚一些。從圖2（b）可得，GaAs 基器件收集電荷量最先到達(dá)自己的最大值，其次是4H-SiC 和Si 基器件，這意味著4H-SiC 和Si 基材料的擴(kuò)散作用時間相對較長，雙極放大效應(yīng)較為顯著。Si、GaAs、4H-SiC 基器件的累積電荷分別是0.895 fC、1.291 fC、0.479 fC，可見，GaAs基器件的累積電荷量最大，原因是單位長度累積的電荷量即線性電荷淀積（LCD）不僅與LET 有關(guān)，也與器件的密度、產(chǎn)生電子空穴對所需能量大小相關(guān)[18]，而GaAs 材料的密度（5.32 g/cm3）相對較大，且產(chǎn)生電子空穴對所需能量與Si 基材料相當(dāng)[13,18]，因此，相同能量的粒子入射時，GaAs 材料的LCD 值相對較大，進(jìn)而使得累積電荷量較大。

不同時刻對應(yīng)的器件電勢分布如圖3 所示，在粒子入射的瞬間（4 ps），3 種材料器件的電勢瞬間激增，特別是GaAs 材料，由于LCD 值較大，粒子向材料傳遞的能量較多，在入射區(qū)形成了電勢最大值；在漂移和擴(kuò)散的作用下，Si 材料的電勢分布顯著下降，而GaAs和4H-SiC 材料的電勢分布變化不明顯；當(dāng)時間達(dá)到1 ns 時，3 種材料的電勢分布回歸到初始值。不同時刻對應(yīng)的器件內(nèi)復(fù)合率情況如圖4 所示，在高能粒子入射時，GaAs 材料和4H-SiC 材料的復(fù)合率比Si 材料的復(fù)合率高1～2 個數(shù)量級，這意味著，當(dāng)高能粒子入射所產(chǎn)生的電子空穴對相同時，GaAs 和4H-SiC 材料復(fù)合電子或空穴的速度比Si 要高數(shù)倍至數(shù)十倍。由于GaAs 的LCD 值較大，粒子入射產(chǎn)生的電子空穴對較多，故其復(fù)合范圍較廣，跨越柵極到達(dá)了源區(qū)。

圖3 不同時刻對應(yīng)器件的電勢分布（單位：V）

圖4 不同時刻對應(yīng)的器件內(nèi)復(fù)合率情況（單位：cm3/s）

盡管4H-SiC 材料的電場強(qiáng)度較大，致使重離子沉積的能量較多，但由于產(chǎn)生1 個電子空穴對所需能量較高，且復(fù)合率較大，使其產(chǎn)生的SET 電流較弱。雖然GaAs 材料的LCD 值較大，累積的電荷較多，產(chǎn)生的電子空穴對較多，但其復(fù)合率較高，且復(fù)合影響范圍較大，使其產(chǎn)生的SET 電流較弱，雙極放大效應(yīng)偏弱。

3.2 粒子能量的影響

設(shè)置粒子能量的LCD 值在0.01～1 pC/μm 變化，不同LCD 值時Si 基和4H-SiC 基FinFET 器件的SET電流脈沖如圖5 所示。隨著LCD 值的增加，2 種材料的SET 脈沖電流呈增強(qiáng)趨勢。不同材料的SET 的電流峰值、收集電荷量和雙極放大系數(shù)如圖6 所示，因為粒子入射4H-SiC 材料產(chǎn)生1 個電子空穴對所需的能量比Si 材料高2～3 倍，且4H-SiC 材料的復(fù)合率也高1～2 個數(shù)量級，所以在相同LCD 值時，4H-SiC 基FinFET 形成的SET 電流峰值更小，且存在多峰現(xiàn)象。不同LCD 值、不同時刻的電場強(qiáng)度沿Fin 軸向的分布情況如圖7 所示。當(dāng)LCD 值為0.01 pC/μm 時，電場強(qiáng)度隨粒子入射呈現(xiàn)先增后減的趨勢，此時形成的瞬態(tài)脈沖電流只有1 個峰值；當(dāng)LCD 值增大到一定值時，電場強(qiáng)度在粒子入射的瞬間會驟增，且基本處于保持狀態(tài)，因此在LCD 值較大時，SET 電流出現(xiàn)多峰。原因可能是第一個峰值是漂移作用產(chǎn)生的，而第二個峰值則是在擴(kuò)散的作用下，4H-SiC 器件內(nèi)部電場較強(qiáng)、快速收集電荷從而形成，同時SET 脈沖寬度也有所增加。隨著LCD 值的增加，Si 器件的SET 電流峰值近似呈線性增加趨勢，但由于存在多峰，4H-SiC 器件的瞬態(tài)峰值增加緩慢，與Si 器件的差值呈冪指數(shù)增加；對于收集電荷量而言，2 種材料的基本趨勢基本一致，均隨著LCD 值的增加而增加，且4H-SiC 器件與Si 器件的差值呈冪指數(shù)增加；Si 材料的雙極放大系數(shù)遠(yuǎn)高于4H-SiC材料的雙極放大系數(shù)，當(dāng)粒子能量較小時，器件的雙極放大效應(yīng)更為顯著。2 種器件的雙極放大系數(shù)均隨著LCD 值的增加而減小，這意味著它們收集電荷量的增加率比累積電荷的小。

圖5 不同材料在不同LCD 值時的SET 電流脈沖

圖6 不同材料的SET 的電流峰值、收集電荷量和雙極放大系數(shù)

圖7 不同LCD 值、不同時刻的電場強(qiáng)度沿Fin 軸向的分布情況（單位：106 V/cm）

與Si 材料相比，粒子入射4H-SiC 基FinFET 器件所形成的瞬態(tài)電流峰值更低、收集電荷量更少、雙極放大系數(shù)更小，因此4H-SiC 材料具有更好的抗SET性能。

4 結(jié)論

隨著技術(shù)節(jié)點(diǎn)的不斷演進(jìn)，SET 嚴(yán)重威脅著空間環(huán)境中先進(jìn)電子器件的可靠應(yīng)用。不斷涌現(xiàn)出的新材料、新結(jié)構(gòu)，對電子器件的SET 機(jī)理研究提出了新的挑戰(zhàn)。本文針對14 nm SOI 4H-SiC 基FinFET 器件，研究了其SET 效應(yīng)，分析了不同F(xiàn)in 材料和粒子能量對SET 的影響，并探討了影響機(jī)理。這些成果可以為FinFET 電路的抗輻射加固設(shè)計提供技術(shù)參考，為新型先進(jìn)器件的SET 機(jī)理研究提供方法和思路。