PD SOI BTSNMOS器件的三維SEU仿真

徐 靜，陳正才，洪根深

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

PD SOI BTSNMOS器件的三維SEU仿真

徐 靜，陳正才，洪根深

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

采用silvaco軟件對抗輻射PD SOI BTSNMOS器件進行了三維SEU仿真。器件建模采用devedit軟件，工藝參考標準0.8μm PD SOI工藝平臺。器件基于SIMOX SOI材料，其埋氧層厚度為375nm，頂層硅膜厚度為205nm。三維SEU仿真的入射粒子軌跡垂直于器件表面，主要選取了垂直于溝道方向（DS）和平行于溝道方向（PDS）。對比了不同入射粒子軌跡下器件關斷狀態下漏端電流隨粒子入射時間的變化，確定了器件的敏感區域在漏體PN結處，并且越遠離體接觸的地方，對SEU效應越敏感。

SOI；SEU；三維仿真

1 引言

SOI技術因為其硅膜和襯底之間由絕緣二氧化硅完全隔離，所以SOI器件相對于體硅器件收集單粒子產生的電子空穴對的體積減小，從而漏極收集電荷相對體硅明顯減小，因而SOI技術一直以來被用于集成電路的單粒子加固[1]。然而，由于PD SOI器件中固有的寄生雙極管的存在，可能會使得它在抗SEU方面的優勢減小[2]。

單粒子實驗由于其需要高速加能器的支持，實驗的成本和難度都很大，因此，對器件進行模擬仿真成為單粒子效應的一個重要研究手段。3-D模擬由于能實現傳統2-D模擬所不能實現的體接觸，因此能更全面的反映器件的單粒子效應。

本文采用silvaco軟件對0.8μm SOI BTsNMOS器件進行了SEU仿真，對其敏感區域進行了分析。

2 仿真的模型建立

首先，應用silvaco軟件里的devedit3d功能，建立了0.8μm SOI BTsNMOS器件結構模型，這個模型的各項工藝參數是基于中電58所標準0.8μm SOI工藝平臺建立的。器件結構采用BTs結構，源和體短接在一起，W/L=4.8μm/0.8μm，柵氧厚度Tox=17.5nm，頂層硅膜厚度Tsi=160nm，埋氧厚度Box=375nm。建成的模型結構如圖1所示。

圖1 SOI BTsNMOS器件結構

器件模型建立后，采用Atlas進行了器件模擬，模擬時器件的電壓偏置條件是柵上電壓VG接0V，漏上電壓接5V，源和襯底都接地，入射粒子方向垂直于器件表面[3,4]。在模擬中采用以下物理模型：SRH模型、AUGER模型、CVT模型、BGN模型。在模擬單粒子效應時，采用silvaco的singleeventupset模塊，采用的是在單粒子入射路徑上任意一點產生的電子-空穴對的數量density=1×1018，單粒子效應產生的電子-空穴的時間分布為高斯分布：

分布特征值T0=2×10-12S，半徑特征尺寸radius為0.05。

3 結果與討論

本文主要從SOI器件漏極收集電流情況對SOI器件敏感區進行了仿真分析。設P+體接觸的初始位置為x和z軸的0坐標，沿溝道向漏的方向為x的正方向，沿器件寬度w的方向為z軸的正方向。如圖2所示，沿z軸為2μm的水平線和沿x軸為1.3μm的垂直線，以相同的條件分別進行14組和10組單粒子模擬仿真，單粒子轟擊點如圖2中方框部分所示，方向垂直于器件表面，模擬結果和漏極電流總結如圖3、圖4所示。

圖2 單粒子轟擊點分布示意圖

圖3 沿z=2的水平線粒子入射各點漏極電流曲線

從圖3（a）可以看出，沿z=2μm方向，當粒子入射點在器件源端時，x=0.7/0.8時，器件在漏極收集的電流峰值最大，此處也正好是NMOS器件源端的PN結處。在器件源區的PN結處，粒子轟擊產生的電子會在漏端強電場下迅速被漏極收集，因而產生了如圖3（a）所示的第一個峰；而空穴則在器件體區堆積，提高了體電位使寄生三極管開啟。由于器件結構是源體短接接地的，因此入射轟擊點在源區上時，粒子轟擊所產生的電子空穴對會馬上被復合，因而漏極收集到的電流很小。

從圖3（b）可以看出，沿z=2μm方向，當粒子入射點在器件多晶柵區時，x=1.2/1.3時，器件在漏極收集的電流峰值最大，此處也正好是NMOS器件漏端的PN結處。在NMOS器件處于關斷狀態，由于漏上接5V電壓，漏端電場最強。當粒子轟擊在多晶柵下的體區時，產生的電子由于受到漏端電場的作用，電子被迅速收集到漏結，而空穴則堆積到體區，提高了體電位。粒子轟擊點離漏區PN結越近，空穴越容易在體區堆積，而遠離漏區PN結轟擊所產生的空穴要漂移一段才能達到體區，這個過程中空穴會在摻雜較濃的漏極復合掉一部分，這樣堆積在體區的空穴數量會減少，從而減少寄生三極管的放大作用[1]。

從圖3（c）可以看出，沿z=2μm方向，當粒子入射點在器件漏區時，x=1.2/1.3時（即漏端PN結處），器件漏極的電流峰值最大，而在漏區N+摻雜區，由于粒子轟擊產生的電子空穴對很快被高濃摻雜的漏區復合掉，從而大大減少了寄生三極管的放大作用。因而越遠離體區PN結的漏端轟擊點，漏端收集到的電流越小。

圖4所示為沿x=1.3的垂直線粒子入射各點漏極電流曲線。從圖中不難看出z=4.0/3.7時漏端收集的電流最大，這個區域是離體接觸最遠的區域。因為，離體接觸越近，堆積在體區的空穴更容易被體電極收集走，從而降低了寄生三極管的放大作用。

圖5 時器件的電勢圖

圖5（a）所示為粒子入射前器件的電勢分布圖，圖5（b）為粒子入射后4×10-12S時的電勢分布圖，從圖中可以看出。體區電勢在粒子入射后發生了變化，體電勢比入射前有所提高，這是因為入射粒子所產生的空穴在體區堆積所致。

4 結論

通過對58所標準0.8μm PD SOI BTSNMOS器件的三維SEU仿真，發現器件的SEU敏感區域在遠離體接觸的漏體PN結處。由于PD SOI器件特有的中性體區，單粒子轟擊所產生的空穴會堆積在體區，嚴重時觸發寄生三極管，因而有效的體接觸可以降低器件對SEU的敏感性。

［1］趙發展，郭天雷，海潮和，等. SOI NMOSFET單粒子效應的3-D模擬[J]. 核電子學與探測技術，2008，28（1）.

［2］楊毅，尹常永，吳春瑜.PD SOI SRAM單元的單粒子加固方法[J]. 核電子學與探測技術，2008，28（6）.

［3］P.Roche, J.M.Palau, K.Belhaddad, et al. SEU reponse of an entire SRAM cell simulated as one contiguous three dimensional device domain[J]. IEEE Trans.Nucl.Sci.,1998, 45∶ 2534-2544.

［4］P.Roche, J.M.Palau, C.Tavemier, et al. Determination on key parameters for SEU using full cell 3-D SRAM simulations[J]. IEEE Trans.Nucl.Sci, 1999,46∶1354-1362.

Study of the Single-event of PD SOI BTSNMOS by 3-D Simulation

XU Jing , CHEN Zheng-cai, HONG Gen-shen
（China Electronics Technology Group Corporation No.58Research Institute,Wuxi214035,China）

The SEU effect of PD SOI BTSNMOS device has been simulated by silvaco 3-D simulation software. The modeling of device is established by Deveidt3D, based on 0.8μm PD SOI process. Device is based upon SIMOX SOI, the top silicon thickness is 205nm, and the BOX thickness is 375nm. The tracks of particles are vertically crossing the surface of the device.Two directions have been selected：one direction is vertical to the channel（DS）, the other is parallel to the channel（PDS）. The sensitive area to sigle-event effect of the device is the reverse bias drain PN junction, which is far from the body contact.The farther is the drain PN junction from the body contact, the more effective is the SEU effect of the device.

SOI; SEU; 3-D simulation

TN702

A

1681-1070（2012）01-0028-03

2011-08-24

徐 靜（1980—） ，女，湖北宜昌人，碩士，主要從事SOI CMOS工藝技術開發研究。