深亚微米SOIMOSFET单粒子效应研究

深亚微米SOIMOSFET单粒子效应研究姓名：学号：小组组长：摘要随着集成电路特征尺寸的不断减小，辐射环境下各种重离子引起的单粒子效应日益严重，半导体器件抗单粒子效应加固是目前面临的重大问题。绝缘体上硅（SOI）器件具有良好的抗辐射能力，适于高性能大规模抗辐射集成电路的应用。本文研究SOIMOSFET器件单粒子效应，进行不同尺寸SOI器件在不同辐照影响下的相应分析。关键词：辐射；SOIMOSFETs；单粒子效应ABSTRACTWiththedevelopmentofIC’featuresizecontinuingtodecrease,singleeventeffectsinducedbyheavyionsradiationenvironmentisbecomingincreasinglyserious,thereinforcementtoresistsingleeventeffectsinsemiconductordevicesisamajorproblem.Silicononinsulator(SOI)hasgoodperformanceofanti-radiation;it’ssuitablefortheradiatandhardenedintegratedcircuitlargescaleandhighperformance.ThispaperstudysingleeventeffectofSOIMOSFETdevices,withcorrespondinganalysisofdifferentsizeSOIdevicesindifferentconditions;themainworkisasfollows.KEYWORDS:radiation；SOI；SingleEventEffects1.研究背景集成电路的单粒子效应（SingleEventEffect，SEE）是指高能粒子入射在微电子器件的灵敏区时，电离产生大量电荷，这些电荷被器件电极收集后，可能造成器件逻辑状态非正常改变或器件损坏，它是一种随机效应。本文深入研究SOI器件单粒子效应的机理，在理论推导和解析分析的基础上，建立了SOIMOSFET单粒子效应模型，通过与器件模拟数据的比较，验证模型正确性，确保模型能够在仿真精度和时间开销上达到较好的折中，为进一步的研究和应用奠定基础。2.单粒子效应与SOI技术2.1单粒子效应单粒子效应（SingleEventEffect,SEE），指的是单个高能粒子在穿过微电子器件的灵敏区时，在其轨迹上沉积电荷，这些电荷被器件电极收集，造成器件逻辑状态的改变或器件损坏。2.1.1单粒子效应的产生机制集成电路器件中单粒子效应的产生机制由三个连续的过程组成：1）能量粒子轰击敏感区域并淀积电荷；2）释放的电荷在器件内部的传输；3）器件敏感区域的电荷收集。2.2SOI技术SOI（Silicon-On-Insulator，绝缘体上硅）作为一种全介质隔离技术，有着许多体硅技术不可比拟的优越性。一种典型的CMOS/SOI器件结构如图1（a）所示,图2-7（b）为体硅CMOS器件结构。图1(a)CMOS/SOI器件；图1(b)体硅CMOS器件SOI技术中，器件仅制造于表层很薄的硅膜中，这种独特的结构使其具有许多优点，总结如下：1）速度高：SOI器件具有迁移率高、跨导大、寄生电容小等优点；2）功耗低：SOI器件陡直的亚阈值斜率使其泄露电流很小，因而静态功耗很小，同时结电容以及连线电容的降低，也大大减小了动态功耗；3）适合小尺寸器件：SOI器件短沟效应较小、亚阈值曲线陡直、泄露电流较小；4）适合低压低功耗电路：降低电源电压而导致的结电容增加、驱动电流减小、速度下降的效应很小，比体硅CMOS器件更适于低压低功耗电路；5）集成密度高：SOI器件采用全介质隔离，不需要阱等复杂隔离工艺，器件最小间隔取决于光刻和刻蚀技术的限制，集成密度大为提高；6）成本低：SOI技术除了衬底材料比体硅材料价格高之外，其他成本均低于体硅技术，其制造工序少13%~20%，芯片面积浪费可减少30%以上；7）抗辐照特性好：SOI技术采用了全介质隔离，彻底消除了体硅CMOS电路的闩锁（Latch-up）效应，且具有极小的结面积，因此具有非常好的抗软失效、瞬时辐照和单粒子（α粒子）翻转能力。3.SOIMOSFET单粒子效应本节在上文建立的2-DNMOS/SOI器件基础上做了大量模拟，设置相应的参数，通过数值模拟，从器件结构、电学特性等方面分析并总结了各种因素，包括：重离子入射位置、入射深度、体区掺杂浓度、源/漏区掺杂浓度、埋氧层厚度、体接触、LDD等因素对SOIMOSFET单粒子效应的影响。3.1重离子入射位置对单粒子效应的影响分析选择不同的重离子入射位置，如图2所示，方框中的粗实线即为重离子的入射位置，所有入射方向均为垂直入射。SourceBodyLDSLDDDrain-0.475-0.275-0.1750.00.1750.2750.475x(um)图2不同的重离子入射位置示意图如图3所示为不同入射位置重离子导致的漏端电流脉冲波形图。图3(a)、(b)：不同入射位置重离子导致的漏极瞬时电流脉冲从图3可以观察到，不同入射位置重离子产生的漏极电流脉冲峰值有较大的差异。在x=0.25μm、x=0.30μm、x=0.35μm三个同入射位置，其产生的电流脉冲越来越小，且差异较大，但是脉冲的持续时间却几乎相同，这说明，在高掺杂的漏区，其在重离子轰击下电离产生的电子-空穴对少于在相同情况下体区产生的电荷。3.2重离子入射深度对单粒子效应的影响分析取重离子入射深度（从器件沟道表面算起）分别为0.10、0.15、0.22、0.50以及1.00um等5个点进行器件单粒子效应模拟，其中，NMOS/SOI器件埋氧层上硅膜厚度为0.22um。器件模拟结果如图4所示，通过观察可以发现，当重离子入射深度小于0.22um时，产生的漏极瞬时电流脉冲的峰值以及宽度都随着深度的增大而增大；当重离子入射深度大于0.22um后，产生的电流脉冲几乎重合。这验证了器件的单粒子效应的敏感区域在硅膜的空间电荷区，同时，由于埋氧层的隔离作用，“电荷漏斗”不起作用。图4漏极瞬时电流脉冲峰值随重离子入射深度的变化3.3体区掺杂浓度对单粒子效应的影响分析取体区掺杂浓度分别为2×1017、4×1017、6×1017、8×1017cm-3等4个点进行器件单粒子效应模拟，模拟结果如图5所示。图5漏极瞬时电流脉冲随体区掺杂浓度的变化通过观察可以发现，漏极瞬时电流脉冲的峰值随着体区掺杂浓度的减小而增大，脉冲宽度也随体区掺杂浓度减小而展宽。出现这种现象的原因是高的体区掺杂浓度抑制的寄生双极晶体管的电流放大系数，从而减小了漏极收集电流，脉冲迟滞时间随之减小。3.4漏区掺杂浓度对单粒子效应的影响分析取漏区掺杂浓度分别为2.5×1019、5×1019、1×1020cm-3等3个点进行器件单粒子效应模拟，模拟结果如图6所示。图6漏极瞬时电流脉冲随漏区掺杂浓度的变化通过观察可以发现，漏极瞬时电流脉冲的峰值随着漏区掺杂浓度的增大而增大，脉冲宽度随漏掺杂浓度增大而减小；但是三种漏区掺杂浓度下，电流脉冲的差异很小。3.5源区掺杂浓度对单粒子效应的影响分析取源区掺杂浓度分别为2.5×1019、5×1019、1×1020cm-3等3个点进行器件单粒子效应模拟，模拟结果如图7所示。图7漏极瞬时电流脉冲随源区掺杂浓度的变化通过观察可以发现，漏极瞬时电流脉冲的峰值随着漏区掺杂浓度的减小而增大，脉冲宽度随漏掺杂浓度减小而增大；三种源区掺杂浓度下，电流脉冲的差异较小。3.6埋氧层厚度对单粒子效应的影响分析取埋氧层分别为100、200、280、500nm等4个点进行器件单粒子效应模拟，器件模拟结果如图8所示。图8漏极瞬时电流脉冲随埋氧层厚度的变化通过观察可以发现，漏极瞬时电流脉冲的峰值随着埋氧层厚度的增大而增大，脉冲宽度随埋氧层的厚度增大而展宽；这表明随着埋氧层厚度的增加，淀积在体区中的电荷有所增加。3.7体接触对单粒子效应的影响分析分别取体接触中心位置（体接触宽为0.05um，理想状态的体接触比实际工艺下的性能要好）分别于x=-0.25（靠近源端）、x=0.00（沟道中央）、x=0.25um（靠近漏端）等3个点进行器件单粒子效应模拟，模拟结果如图9所示。图9漏极瞬时电流脉冲随体接触位置的变化观察图9可以发现，在重离子入射位置为沟道中央的条件下，体接触位置越靠近漏端，则漏极电流脉冲的峰值和宽度越小，这是因为体接触越靠近漏端反偏P-N结，则因为电子被收集而堆积的空穴越容易通过衬底放电消逝，削弱寄生双极放大效应。3.8LDD对单粒子效应的影响分析分别取加入LDD结构与无LDD结构的两种NMOS/SOI器件进行单粒子效应模拟，结果如图10所示。观察图10可以发现，加入LDD结构使得漏极瞬时电流脉冲的峰值下降，脉冲宽度稍微变大，这表明LDD结构不仅在调整器件阈值电压上有突出贡献，而且有利于器件抗单粒子效应。图10漏极瞬时电流脉冲受LDD结构的影响4.总结1）SOIMOSFET单粒子效应模拟，观察、分析漏极瞬时电流脉冲以及体区电子云分布随时间变化情况；2）通过数值模拟，从器件结构、电学特性等方面分析并总结了各种因素，包括：重离子入射位置、入射深度、体区掺杂浓度、源/漏区掺杂浓度、埋氧层厚度、体接触、LDD因素对SOIMOSFET单粒子效应的影响；3）通过数值模拟，比较SOI器件与体硅器件单粒子效应的不同，并加以分析。