應變Si 納米NMOSFET單粒子效應

廖晨光，郝敏如

(西安電子科技大學 微電子學院，陜西 西安 710071)

隨著微電子集成電路技術的快速發展，以互補型金屬氧化物為核心的半導體技術已進入納米尺度，由于正常工作的集成電路受到納米器件二級物理效應產生的影響，各種新技術以及新材料被國內外各研究院所迫切開發[1-5]，目的是提高器件以及集成電路的特性。應變硅技術由于帶隙可調、遷移率高等優點，并且其技術與傳統的 Si工藝技術相兼容，因此被廣泛應用于集成電路中，因而成為目前提高應變集成技術的重要途徑之一[6-10]。單軸應變相對于雙軸應變更適用CMOS集成電路制造，因此關于單軸應變Si MOSFET的性能研究備受關注[11-16]。隨著應變集成器件及電路技術在空間、軍事等領域的廣泛應用，在輻照條件下應變集成器件及電路的應用將會越來越多，因此輻照特性及加固技術對應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昂貴。因此, 對于抗輻照研究分析，前期利用計算機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, 器件內部的電參數可以通過計算機模擬仿真獲得。本文主要通過計算機模擬仿真驗證漏斗模型的正確性，并且通過二維數值仿真分析了單軸應變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電流大小的影響。

1 器件結構

圖1是單軸應變Si器件單粒子效應原理圖。表1列出了器件結構以及工藝參數。表2給出了仿真單粒子效應重離子模型的參數，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變Si器件。隨著集成電路繼續發展，集成電路的特征尺寸由深亞微米進入納米級，為了更精確的研究納米尺度的器件，本文利用Sentaurus TCAD軟件進行器件仿真，同時添加了小尺寸模型，SRH和Auger復合，禁帶變窄及遷移率模型等。

圖1 單粒子效應的原理圖

表1 部分器件結構以及工藝參數

表2 部分重離子模型參數

2 結果與分析

圖2是單粒子注入后單軸應變Si 納米NMOSFET器件內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給出了單軸應變Si 納米NMOSFET器件在0 ps, 1 ps, 5 ps, 10 ps, 20 ps 以及50 ps時的電勢分布。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，產生的電場區沿著重離子的運動徑跡形成，并且延伸至襯底區；20 ps后，電場區逐漸衰弱，達到50 ps時，由于單粒子輻照產生的電場完全消失。因此，由圖2可得出，電荷漏斗模型與計算機的仿真模擬結果相吻合，證實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，單粒子瞬態電流峰值越高，脈沖寬度越大。根據單粒子瞬態電流的機制，漏極電壓的增大，不僅增大了耗盡區漂移電流，而且增大了漏斗漂移電流和雙極放大效應。此外，還可以看出不論漏極電壓的大小變化，漏極瞬態電流最終值都降為0，這也說明漏極電壓的變化對擴散電流沒有影響。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，更多的電荷被漏極收集。因此，漏極電壓越大，單粒子瞬態電流峰值越高，脈沖越寬，以至于器件的單粒子翻轉越容易發生。

圖3 電流及收集電荷分布和電場分布

隨著半導體工業的快速發展，器件尺寸不斷縮減導致器件的單粒子效應越來越敏感。隨著溝道長度的減小，寄生晶體管的基區變薄，導致寄生晶體管更容易開啟。圖4是在不同溝道長度下，漏極瞬態脈沖電流的變化。由圖4(a)可知，漏極瞬態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，同時可得知雙極放大效應更明顯。

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電流的分布。由圖5(a)可看出，電場強度最大的位置是X=25 nm。同時由圖5(b)可知，單粒子瞬態電流最大時的位置也是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，這是由于該點正好位于柵極的正中央，重離子注入時躲避了高濃度的漏區, 從而減小了復合電流, 而且距離漏/體的位置更近一些。由圖5還可以看出，注入位置離敏感區越近，漏極瞬態電流越大。

圖5 不同注入位置的瞬態電流

4 結束語

本文主要通過計算機模擬仿真驗證了漏斗模型的正確性，并且通過二維數值仿真分析了單軸應變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電流大小的影響。模擬結果顯示，器件的單粒子瞬態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，導致以源區、體區以及漏區分別被看作發射區、基區以及集電區的寄生晶體管更容易開啟。此外，通過仿真結果分析，不同注入位置下的單粒子效應，此處的漏極瞬態電流大小與對應位置的電場強度成正比關系。因此，本文仿真結果為研究納米級單軸應變Si NMOSFET應變集成器件可靠性及電路的應用提供了理論指導。