基于TCAD模擬的Buffer單粒子效應解析分析

杜　明,鄒　黎,李曉輝,邱恒功,鄧玉良

(深圳市國微電子有限公司,廣東 深圳 518057)

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基于TCAD模擬的Buffer單粒子效應解析分析

杜明,鄒黎*,李曉輝,邱恒功,鄧玉良

(深圳市國微電子有限公司,廣東 深圳 518057)

摘要:半導體器件和集成電路的輻射效應,其本質就是電子空穴對的產生和復合、電荷的傳輸與收集、界面態和氧化層陷阱電荷積累等一系列的物理過程。這些物理過程會受到各種因素的影響,例如上拉補償管的尺寸、重離子入射角度、器件的外延層濃度等。使用TCAD器件/電路混合模式仿真了以上這些關鍵變量,同時分析了以上效應對對Buffer電路單粒子效應的影響。最終實驗結果證明該模擬方法接近于真實情景。

關鍵詞:混合模擬;TCAD;單粒子效應;緩沖;上拉補償

近年來,隨著單粒子效應對航空航天器的安全運行造成的危害日益突出和嚴重,國內外利用空間搭載和輻照實驗等對器件和整機進行了各種試驗[1]。利用空間搭載或輻照實驗來獲取器件在真正空間應用時可能發生故障的幾率的代價是非常昂貴的,不僅影響到實驗時間、費用和人力的大量消耗,而且實驗過程不易調整和反復移植。TCAD仿真工具可以精確預測輻照環境下的器件性能,評價器件和電路的抗單粒子水平,經濟省時且可過程可控。

本文針對當前以及未來主流工藝下影響最為嚴重的單粒子效應進行研究,并且結合了CMOS集成電路中最基本的元器件—Buffer單元,根據TCAD混合模擬深入探討了輻射效應模擬方法、重離子物理模型、影響單粒子效應的幾種重要因素,為器件的選型和實際輻射環境中單粒子翻轉率的預估提供了理論依據。

1　重離子物理模型

在TCAD的器件仿真器SDEVICE中,重離子入射后,跟電流連續性方程所對應的過剩載流子產生率定義為:

G=T(f)R(w)L(I)

式中,R(w)和T(f)分別為描述重離子產生的電子空穴對的空間分布和時間分布[2],L(I)是入射離子的深度函數分布,與離子的種類、能量、射程相關;通常設定R(w)服從指數分布或者高斯分布,T(f)服從高斯分布。

假設重離子注入區域為NMOS的漏區,注入前,漏極接1.2 V電壓,襯底接地。模擬的漏區采用長方體對稱。NMOS的工藝參數如下:柵氧厚度為2.58,襯底摻雜濃度為5×1014cm-3,源/漏結深為0.08 μm,LDD結深為0.012 μm,LDD濃度峰值為2×1019cm-3。

在對NMOS的SEU進行模擬計算時,物理模型考慮了載流子濃度對壽命影響的SRH復合、Auger復合、載流子散射、遷移率隨摻雜濃度變化和禁帶變窄等,轟擊的重離子采用Gaussian分布建模,載流子輸運調用流體動力學模型[3]。其他的模型和參數采用SDEVICE默認。

模擬的基本過程是:構建合理的器件模型后,首先不考慮產生、復合項,求取器件的準穩態解,得到器件的穩態電特性;然后引入輻照效應,在準穩態解的基礎上考慮單粒子注入的影響,求得不同LET、不同偏壓情況下的單粒子瞬態電流脈沖。

2　單粒子效應的混合模擬和分析

3D器件/電路混合模擬可以用來判斷單粒子翻轉LET閾值。在仿真計算中首先要根據經驗判斷出最敏感的區域(通常為MOS晶體管的反偏漏區)。采用混合模擬方法計算出的LET閾值也能與輻照實驗結合較好的符合。采用全3D的數值模擬能夠模擬器件的靈敏區域的面積,并進而計算得到器件的單粒子翻轉截面。

混合模擬中使用的Buffer單元電路結構如圖1,其中MP1的尺寸為0.6 μm/0.13 μm,MP2的尺寸為3 μm/0.13 μm,MN2的尺寸為1.38 μm/0.13 μm,這3個MOS管都是使用PDK模型,并且仿真時使用spice2dessis程序將spice網表和BSIM3模型參數整合在dessis識別的*.scf網表中。敏感單管MN1則使用3D器件模型代入。

圖1　混合模擬所使用的電路結構

混合模擬結果的精確程度與器件模型的準確程度直接相關[4]。建立器件模型時需根據BSIM模型中的已有參數,確定柵氧厚度,初步確定溝道摻雜濃度范圍,并通過閾值電壓計算溝道表面的摻雜濃度;結合已知的硅襯底電阻率,計算襯底摻雜濃度;然后進行器件校準,針對性的調節一些關鍵參數,例如LDD區域的摻雜濃度和深度、溝道摻雜濃度和深度等,使得TCAD仿真得到的器件特性和SPICE仿真得到的器件特性符合度達到95%以上。圖2所示為130 nm CMOS工藝下經校準后的NMOS器件模型的3D視圖。

圖2　130 nm CMOS工藝下NMOS的器件模型

圖3　重離子入射前后Buffer電路各節點的瞬態輸出電壓

仿真設定重離子撞擊器件發生在0.76 ns時刻(此時NMOS器件MN1處于截止狀態),入射方向為垂直入射,入射位置為本文認為的敏感區域即NMOS器件的漏極中心點,粒子入射深度設為穿透整個器件(達到最大入射深度)。粒子軌跡半徑為0.1 μm,LET值設定為60 MeV·cm2/mg。電離電荷的產生率在空間和時間上均呈高斯分布。設定模擬初始步長為1 ps,步進為1.4,最大步長為5 ps,電源電壓Vdd設定為1.2 V。

圖3所示為重離子入射前后Buffer電路各節點的瞬態輸出電壓曲線。其中左圖為重離子入射前的輸出電壓,右圖則是重離子入射后的各節點的輸出電壓,Buffer單元的第1級輸出v(net1)和第2級輸出v(out)的邏輯狀態都發生了翻轉,發生了明顯的單粒子效應。

當單粒子轟擊工作在截止狀態的NMOS管(MN1)的漏區時,會導致漏極和相應阱之間的PN結穿通,并在軌跡上電離產生大量的自由電子空穴對,從而導致漏區的電勢瞬間發生翻轉,這一過程主要是因為電荷隨著粒子軌跡所形成的導電通道迅速被漏極收集,而與該NMOS管相對應的補償管(MP1)來不及補償其電勢[5]。隨后,一方面補償管會逐漸恢復該MNOS管漏極的電勢,另一方面,由于該NMOS管體區的電子迅速被漏極吸收,導致另外一種載流子電荷(空穴)停留在體區,這些遺留的空穴電荷會對該NMOS管體區電勢產生擾動,這種擾動就會導致CMOS結構中的寄生雙極晶體管導通并使得更多的電荷從該MOS管的源極流向漏極,從而增加了漏極收集電荷的數量,減緩了其電勢恢復的過程,最終導致在該MOS管漏極處形成的瞬態電流脈沖出現一個拖尾的“臺階區”,如圖4所示。

圖5　恢復管尺寸改變對瞬態電流脈沖的影響

2.1補償管尺寸對瞬態電流脈沖的影響

通常認為MOS管對應恢復電路的驅動能力越強[6],轟擊該MOS管漏極產生的瞬態電流脈沖越小。改變NMOS器件對應的恢復管(MP1)的尺寸進行單粒子轟擊模擬,模擬結果如圖5。從圖5可以看出,恢復管的尺寸越大,產生的瞬態電流脈沖峰值增大而脈寬減小。峰值增大是因為漏極收集電荷的數目隨著相應恢復管的尺寸增大而增大,這與脈寬減小并不矛盾,根據MOS管的漏結電容計算推導公式:

Cdiff=CjLdW+Cjdw(2Ld+W)

其中,Cj為單位面積的底板電容,Cjdw為單位長度的漏極側壁電容,二者對于同一種工藝視為常數,W為MOS管的寬度,Ld為漏極長度。從該式子可以看出,當MOS管尺寸值增大時,漏結電容會相應的增大,根據穩定狀態下電荷與電容和電壓的關系Q=CV,保持相同電位時所需電荷數也會相應的增加,而且決定NMOS器件瞬態電流脈沖寬度的核心因素是漏極吸收電荷的時間長短而非電荷量[7]。

2.2入射角度對漏電流的影響

如圖6所示,當入射角度從0°增加到75°時,粒子在敏感區中的電離路徑依次增加,相應的有效LET值也會增加,即瞬態電流脈沖峰值和脈寬都隨入射角度的增大而增大。

圖6　重離子不同入射角度對漏電流的影響

首先,粒子入射角度的不同會導致有效LET值的改變。由于器件的敏感區多為薄的長方體,當入射角度增加時,通過該敏感區的粒子電離路徑隨之增加,從而淀積更多的能量,即遵從通常所說的余弦定律[8]:

LETeff=LET/cosθ

其次,入射角度增大會導致粒子軌跡在靈敏區中穿透的路徑同樣以余弦定律邊長,從而收集更多的電荷;再次,粒子有效注入量會隨入射角度增大而減少[9]。這3種因素的共同作用使得瞬態電流脈沖峰值和脈寬隨入射角度增大而增大。

圖7　不同外延層濃度對漏電流的影響

2.3外延襯底濃度對漏電流的影響

由圖7可見,當外延層濃度變大時,脈沖峰值增大,寬度變窄。這是因為外延襯底濃度大時,少數載流子濃度低,初始時濃度梯度大,擴散作用強[10],所以峰值電流大。而峰值寬度之所以變窄,是因為襯底濃度大,電荷漏斗消失更快,漏斗助漂移作用減小。

一般說來,在高摻雜或中等摻雜的襯底中,一開始是漏斗助漂移占主導,接著就是擴散占主導;而在低摻雜的外延層中,電荷的收集主要靠漏斗助漂移,這是因為這時的電荷漏斗比較強,不容易消失,要使電荷漏斗消失就必須使其電荷通過擴散或漂移達到和襯底一樣的濃度。由此可見,在一定程度上,提高外延襯底濃度,可以降低單粒子翻轉的概率。

3　翻轉截面曲線

翻轉截面曲線是指器件的單粒子翻轉截面隨LET變化的曲線,它用來表征器件抗單粒子翻轉能力。我們選用5種不同能量、不同LET值的重離子入射情況進行3D器件/電路混合模擬,最后使用三維數值計算得到重離子引起的翻轉截面曲線。同時進行重離子寬束實驗利用HI-13串列加速器寬束開展了對測試片的單粒子效應試驗獲得了器件的單粒子翻轉截面與LET值之間的關系曲線,3D混合模擬計算和輻照實驗得到的翻轉截面曲線如圖8所示。

圖8　三維模擬數值計算和輻照實驗得到的器件翻轉截面曲線

從圖8可以看出,重離子加速器實驗結果和三維數值模擬計算得到的結果符合度較高,兩種翻轉截面的差異小于15%,這表明通過三維數值計算可以比較準確的預測重離子引起的翻轉截面。

4　結論

本文利用TCAD器件/混合模式仿真了Buffer電路單元的重離子單粒子效應,仿真結果表明:上拉補償管的尺寸增大,瞬態電流脈沖的峰值增大而脈寬減小;入射角增大會導致有效LET值的改變,并使粒子在覆蓋層中的穿透路徑也同樣以余弦定律變長;提高外延襯底濃度可以在一定程度上提高器件的抗單粒子能力。最后將三維數值模擬計算得到的結果與輻照實驗結果對比,表明了采用三維數值模擬可以準確預測器件的抗單粒子翻轉能力,能夠為深亞微米器件甚至納米器件的抗輻照設計和加固提供理論依據和數據支持。

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杜明(1973-),男,湖南省岳陽市人,學士,高級工程師。研究方向為集成電路可靠性設計和物理實現,duming@ssmec.com;

鄒黎(1986-),女,江西省贛州市人,碩士,工程師。研究方向為超大規模集成電路設計(VLSI設計),zouli@ssmec.com。

AnalysisofSingleEventEffectonBufferCELLBasedonTCADSimulation

DUMing,ZOULi*,LIXiaohui,QIUHenggong,DENGYuliang

(Shenzhen State Microelectronics Co.,Ltd,Shenzhen Guangdong 518057,China)

Abstract:For semiconductor devices and ICs,the essence of radiation effect is a series of physical process including the generation and recombination of electron-hole pairs,the transmission and collection of charge,the interface state and accumulation of oxide trapped charge.Several factors might affect the physical process,such as the size of the pull-up compensating MOSFET,the incidence angle of the heavy ion,the substrate concentration of the device.This paper simulates how these key variables influence on the single event effect of the Buffer cell using mixed-mode TCAD simulations.Finally the experiment result approach to the real scene.

Key words:mixed-mode;TCAD;Buffer;single event effect;pull-up compensating

doi:EEACC:059010.3969/j.issn.1005-9490.2014.05.002

中圖分類號:O472.8

文獻標識碼:A

文章編號:1005-9490(2014)05-0808-04

收稿日期:2013-10-23修改日期:2013-12-05