脈沖γ 射線誘發N 型金屬氧化物場效應晶體管縱向寄生效應開啟機制分析*

李俊霖 李瑞賓 丁李利 陳偉 劉巖

1) (西北核技術研究所，強脈沖輻射環境模擬與效應國家重點實驗室，西安 710024)

金屬氧化物場效應晶體管作為大規模數字電路的基本單元，其內部的寄生效應一直以來被認為是影響集成電路在脈沖γ 射線輻射環境中發生擾動、翻轉以及閂鎖的重要因素.為研究脈沖γ 射線誘發N 型金屬氧化物場效應晶體管內部縱向寄生效應的開啟機制，通過TCAD 構建了40，90 以及180 nm 3 種不同工藝節點的NMOS 晶體管進行瞬時電離輻射效應仿真，得到了縱向寄生三極管電流增益隨工藝節點的變化趨勢、縱向寄生三極管的開啟條件及其對NMOS 晶體管工作狀態的影響.結果表明:1)脈沖γ 射線在輻射瞬時誘發NMOS 晶體管內部阱電勢抬升是導致縱向寄生三極管開啟的主要原因;2)當縱向寄生三極管導通時，NMOS晶體管內部會產生強烈的二次光電流影響晶體管的工作狀態;3) NMOS 晶體管內部縱向寄生三極管的電流增益隨工藝節點的減小而減小.研究結果可為電子器件的瞬時電離輻射效應機理研究提供理論依據.

1 引言

隨著半導體制造工藝的不斷發展，高性能、高集成度的納米器件在航天、國防等關鍵電子系統中的應用越來越廣泛，當遭遇脈沖γ射線時，其工作可靠性會受到嚴重影響，因此納米器件的瞬時電離輻射效應研究受到高度關注.高強度納秒級脈沖γ射線作用于電子器件時會在其內部產生強瞬時光電流[1-6]導致器件輸出擾動[7，8]、數據翻轉[9-12]，甚至閂鎖[13，14]及燒毀[8，15]，器件中金屬氧化物場效應晶體管(metal oxide semiconductor field effect transistor，MOSFET)內部的寄生結構是瞬時光電流產生的基本敏感區域，研究寄生效應在脈沖γ射線輻射環境下的開啟機制，可以為電子器件的失效模式診斷與瞬時電離輻射效應機理研究提供理論依據.

MOS 管作為集成電路的基本單元，其內部的寄生效應一直以來被認為是影響電子器件在瞬時電離輻射環境中正常工作的重要因素[6，9].國外對90 和130 nm PMOS 管開展的單粒子效應研究指出[16，17]，當重離子轟擊PMOS 管漏極時會引起橫向寄生雙極放大效應影響PMOS 管的工作狀態，但未討論縱向寄生效應情況，在脈沖γ射線輻射環境下，縱向寄生效應開啟也會對MOS 管的輸出狀態產生明顯影響.國內對大規模集成電路的瞬時電離輻射效應實驗結果分析認為[9，18]，MOS 管內部的寄生三極管開啟是降低電子器件損傷閾值的主要因素，但未對寄生三極管的開啟機制及其電流增益隨特征尺寸的變化進行深入研究.

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

2 NMOS 管寄生效應機理分析與模型構建

2.1 寄生效應機理分析

圖1 為NMOS 管寄生效應示意圖，NMOS 管內部共存在兩個寄生三極管，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 結結面積與空間電荷區較小，而P 阱與N 型襯底之間形成的寄生PN 結結面積與空間電荷區較大，因此當脈沖γ射線入射時，對初次光電流起放大作用產生二次光電流、對電子器件輸出造成影響的主要為VT2[20]，因此本文主要針對VT2 的開啟機制及其影響進行仿真分析.NMOS 管的源漏極為VT2 的發射極，P 阱為基極，襯底為收集極.當源漏極與P 阱處于反偏狀態時，VT2 發射結反偏，VT2 無法導通.脈沖γ射線入射后，P 阱中產生大量電子空穴對，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，導致P 阱電勢的抬升.當P 阱電勢抬升到一定程度時，源漏極與P 阱結正偏而襯底與P 阱結反偏時，VT2 的發射結正偏而集電結反偏，處于正向放大狀態，大量電子通過正偏的發射結注入P 阱，導致源漏電勢升高影響NMOS 管的工作狀態.

圖1 NMOS 管寄生效應示意圖Fig.1.Parasitic effect schematic of NMOS.

2.2 TCAD 器件模型校準與仿真設置

本文構建的NMOS 管器件模型結構的結構參數與工藝參數由表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，通過閾值摻雜(Vtimplant)調節晶體管的閾值電壓，當摻雜濃度增大時，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;通過漏電摻雜調整晶體管的漏電流，摻雜濃度越高，漏電流越小;通過暈摻雜調節晶體管Id–Vds特性曲線斜率，摻雜濃度越大曲線斜率越大，其本質是消除短溝道效應;源漏輕摻雜決定了器件的串聯電阻，對于器件的最大驅動強度有重要影響.通過反復調節這些摻雜的濃度，并與器件的SPICE模型常態特性進行對比，對NMOS 管的TCAD 器件模型進行常態特性校準.TCAD 仿真過程中，使用了電子與空穴輸運方程、電子與空穴漂移擴散模型、摻雜濃度對載流子遷移率影響模型、強電場下電子與空穴的速度飽和效應模型、禁帶變窄模型、依賴摻雜濃度變化的肖克萊·霍爾·里德復合模型以及俄歇復合模型，針對40 nm 器件還添加了適用于小尺寸器件的流體動力學模型.

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

表1 不同尺寸NMOS 管結構參數與工藝參數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3 種NMOS 管的轉移特性曲線與輸出特性曲線進行了仿真，其中轉移特性曲線是通過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 管的常態特性校準曲線如圖4—圖6 所示，在常態特性校準過程中參考了文獻[21，22]，經過校準的三維器件模型常態電學特性Id-Vds曲線和Id-Vgs曲線與SPICE 模型保持一致.

圖4 40 nm NMOS 管常態特性校準曲線 (a) 轉移特性曲線;(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 管常態特性校準曲線 (a)轉移特性曲線;(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 管常態特性校準曲線 (a) 轉移特性曲線;(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 射線誘發縱向寄生三極管開啟條件仿真分析

當脈沖γ射線入射時，縱向寄生三極管的BE(基極-發射極)結和B-C(基極-集電極)結均會產生瞬時光電流.對于縱向寄生三極管，B-C 結的電荷收集體積遠大于B-E 結，導致B-C 結產生的瞬時光電流遠大于B-E 結產生的瞬時光電流，因此通常只考慮B-C 結產生的初次光電流.當B-C 結產生的初次光電流入射至基極，基極電勢會相應地抬升，當基極電勢抬升使B-E 結正偏時，大量電子通過發射極入射至基極后被B-C 結收集，從而形成由集電極至發射極的二次光電流.二次光電流的表達式為Isp＝(1＋β)Ipp，式中β為寄生三極管的電流增益[6，23].二次光電流的產生會改變源或漏極的偏置電壓，影響NMOS 管的工作狀態.當阱偏置接地時，分別設置NMOS 管處于截止狀態(柵極偏置0 V、源極偏置0 V、漏極偏置1.2 V)與導通狀態(柵極偏置1.2 V、源極偏置0 V、漏極偏置0 V).設置脈沖γ射線參數為劑量率2×107Gy(Si)/s，脈沖寬度50 ns，脈沖持續時間為20—70 ns.在此條件下P 阱、襯底以及源漏產生的瞬時光電流如圖7 與圖8 所示.

圖7 NMOS 管截止時內部瞬時光電流 (a) 源極、漏極瞬時光電流;(b) P 阱、襯底瞬時光電流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 管導通時內部光電流 (a) 源極、漏極瞬時光電流;(b) P 阱、襯底瞬時光電流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，源極與漏極產生納安級瞬時光電流，襯底與P 阱產生微安級瞬時光電流.漏極、源極、襯底電流為正、P 阱電流為負，縱向寄生三極管沒有導通，否則襯底產生的瞬時光電流會從漏或源極流出使其電流方向為負.NMOS 管內部在輻射瞬時以及輻射過后的電勢分布如圖9 所示，在脈沖γ射線入射期間，NMOS 管內部P 阱電勢沒有明顯變化，穩定在0 V 附近，輻射瞬時產生的瞬時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，NMOS 管內部產生的瞬時光電流較小，沒有顯著改變P 阱電勢，縱向寄生的三極管未導通開啟.當脈沖γ射線劑量率增大到1×1010Gy(Si)/s 時，NMOS 管內部在輻射瞬時以及輻射過后的電勢分布如圖10 所示(同樣以NMOS 管導通時為準).

圖9 脈沖γ 射線劑量率為2×107Gy(Si)/s 時NMOS 管電勢分布隨時間變化 (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NMOS 管電勢分布隨時間變化 (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 阱中產生更多的電子空穴對，電子迅速被襯底收集，而大量空穴來不及被阱接觸收集而留在P 阱中導致P 阱電勢明顯抬升.在此條件下，NMOS 管分別處于截止與導通狀態時襯底、P 阱與源漏極的瞬時光電流如圖11 與圖12 所示.

圖11 NMOS 管截止時內部瞬時光電流Fig.11.Photocurrent of NMOS when channel is cut-off.

圖12 NMOS 管導通時內部瞬時光電流Fig.12.Photocurrent of NMOS when channel is turn-on.

當NMOS 管處于截止狀態時，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射結反偏無法開啟.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射結正偏而開啟，源極作為發射極向襯底發射大量電子，在源極產生約2.4 mA 的二次光電流，如圖11 所示.當NMOS 管導通時，源極與漏極的偏置均為0 V，在輻射瞬時漏極/源極-P 阱-襯底之間的縱向寄生三極管均由于發射結正偏而開啟，NMOS 管的源極與漏極同時作為發射極向襯底發射大量電子，在NMOS 管的源極與漏極都會產生很大的二次光電流，如圖12 所示.根據以上仿真結果，在脈沖γ射線劑量率較小時，初次光電流引起的阱電勢變化較微弱，不足以達到縱向寄生三極管的開啟條件，此時對NMOS 管產生輻射損傷的主要為初次光電流;而當脈沖γ射線劑量率較高時，初次光電流引起的阱電勢變化劇烈，縱向寄生三極管的開啟會在發射極產生強烈的二次光電流.其中當NMOS 處于截止狀態時，只有NMOS管的源極作為寄生三極管的發射極;而當NMOS管導通時，源漏極均成為寄生三極管的發射極產生強烈的二次光電流.

4 寄生效應隨特征尺寸的變化趨勢

為分析縱向寄生效應隨特征尺寸的變化趨勢，根據所構建的3 種尺寸NMOS 管，仿真了NMOS管縱向寄生三極管的共發射極電流增益.如圖13所示，所有NMOS 管內部的縱向寄生三極管的電流增益都表現出開始隨P 阱電壓的升高而增大，當P 阱電壓增大到一定程度時又隨P 阱電壓的增大而減小，這是由于發生了大注入效應，導致發射極注入效率降低[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 共發射極電流增益隨集電極電流變化趨勢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，導致縱向寄生三極管基區摻雜濃度升高，發射區向基區發射的載流子在基區的復合率增加;另一方面阱深及阱面積不斷減小，導致集電結電荷收集體積的減小.兩個因素綜合影響導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于脈沖γ射線引起的閂鎖效應敏感性逐漸降低的一個因素[13].

5 結論

本文針對NMOS 管在大規模集成電路中的兩種典型工作狀態在脈沖γ射線輻射環境中縱向寄生效應的開啟機制進行了仿真研究.當脈沖γ射線的劑量率較高時，P 阱產生的初次光電流強度較大，由于P 阱電阻的分壓會導致P 阱電勢的明顯抬升從而使縱向寄生三極管開啟.當NMOS 管處于截止狀態時，由于漏極處于高電位，二次光電流只能通過源極流入地線使地電位抬升;當NMOS管導通時，由于源極與漏極均處于低電位，二次光電流會同時流向源極與漏極，一方面使地電位抬升，另一方面直接影響NMOS 管的輸出狀態.根據TCAD 仿真結果，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脈沖γ射線引起閂鎖效應敏感性越來越弱的重要因素.