兩種H形管的抗總劑量性能仿真研究

裴國旭,鄧玉良,邱恒功,李曉輝,鄒 黎

(深圳市國微電子股份有限公司,廣東 深圳 518057)

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兩種H形管的抗總劑量性能仿真研究

裴國旭*,鄧玉良,邱恒功,李曉輝,鄒 黎

(深圳市國微電子股份有限公司,廣東 深圳 518057)

為了研究0.13 μm體硅工藝的抗總劑量效應加固,分別對兩種結構的H形管的性能做了仿真研究。仿真結果表明,兩種結構的H形管有基本相同的轉移特性曲線,但有一種結構的H形管有較大的飽和電流;同時,此結構的H形管還有較強的抗總劑量性能,可考慮在抗輻照要求的集成電路中使用。

抗輻照;總劑量效應;H形管

隨著現代科學技術的發展,具有強抗輻射能力的計算機及控制芯片已成為衛星用、核電站用等電子系統的核心部分[1]。在空間軌道運行的衛星,會暴露在空間輻射的影響下,空間輻射環境主要來自宇宙射線、范艾倫輻射帶(Van Allen Belt)、太陽耀斑、太陽電磁輻射和極光輻射等。不同的軌道輻射環境有所不同,但在外層空間運行的衛星所受到的輻射是相當嚴重的,一個地球衛星中的電子系統每年所受到的累積輻射總劑量可達102Gy(Si)以上,對于直接暴露在空間中的芯片則會更高[2-4]。因此對集成電路進行抗輻照加固技術的研究很有必要。

CMOS的總劑量效應主要在SiO2中產生電子-空穴對,在Si/SiO2界面產生界面缺陷電荷等[5-6]。由于空穴的遷移率比電子要小,同時SiO2不可能是理想的絕緣體,內部存在著缺陷能級,使得電子-空穴對在SiO2內不能有效復合,造成空穴在SiO2內及Si/SiO2界面處的積累,產生凈有效電荷,從而對MOS器件的閾值電壓、亞閾值漏電流等電學性能產生影響[7]。

目前CMOS工藝的抗總劑量效應加固多采用特殊形狀的晶體管,如H形管、環形管,以消除源漏區邊緣的漏電等[8]。為研究0.13 μm工藝中兩種不同結構的H形管的基本性能和抗總劑量性能,我們對兩種結構的H形管的轉移特性曲線和抗總劑量性能做了仿真研究。綜合仿真結果,對兩種結構的H形管在抗總劑量性能方面表現出的差異進行了分析和討論。

1 建模仿真

首先,參考0.13 μm CMOS工藝,使用ISE-TCAD系統中的3D建模工具SDE建立兩種結構的H形管的3D模型;然后,使用格點和摻雜工具MESH定義模型中的摻雜分布和格點細化;最后使用器件仿真工具SDEVICE仿真兩種管子的轉移特性曲線和抗總劑量性能曲線。仿真過程中,場氧和柵氧分別被處理為理想絕緣體或寬禁帶的半導體材料。這樣處理可以對抗總劑量性能進行更精確的仿真。

目前的研究表明,對深亞微米器件,SiO2中的陷阱電荷包括氧化層陷阱電荷和界面陷阱的影響變得很小,可以忽略;而場氧化層中的陷阱電荷特別是淺能級陷阱電荷在輻照效應中起了主要作用。因此在仿真過程中,考慮了場氧化層中的陷阱電荷,在物理模型中加入了由輻照引起的場氧化層中淺能級的陷阱電荷[9]。

仿真用到的物理模型包括載流子的流體力學輸運模型、輻射模型、SiO2中的陷阱(Traps)模型、Si中與摻雜濃度、散射等相關的載流子遷移率模型、俄歇復合模型(SRH)等。構建的兩種H形管的俯視圖和剖面圖如圖1所示。上面這種結構我們稱之為常規結構,編號為C-H;下面這種結構我們稱之為特殊結構,編號為S-H。由圖1可以看出,S-H結構較C-H結構要占用更大的面積。

圖1 模型俯視圖和剖面圖

如圖1所示,模型中不同陰影部分分別代表器件中的STI(Shallow Trench Isolation)場氧區域、N型擴散區(N+DIFF)、P型擴散區(P+DIFF)、POLY、P_SUB、Al電極等部分。

圖2 線性(a)和對數(b)坐標下兩種管子的轉移特性曲線

2 仿真結果及分析

2.1 輸出特性仿真

為研究兩種H形管的結構對其基本電學性能的影響,構建了兩種管子的3D模型,對它們的轉移特性曲線進行了仿真。在模型構建和仿真過程中,柵氧和STI處理為理想絕緣體。

仿真得出了兩種結構的H形管分別在漏極電壓Vd分別為0.1 V和1.1 V下的轉移特性曲線,如圖2所示。仿真結果顯示,兩種管子的閾值電壓基本相同;對數坐標下顯示兩種管子在亞閾值區有基本相同的漏電流和亞閾值擺幅。但S-H結構的管子飽和電流Ids略大于C-H結構,這是由于同源/漏區寬度的兩種管子,S-H結構的兩端存在更大的寄生寬度ΔWeff(如圖1所示),使其實際的溝道寬度更大,這可在實際應用中根據仿真結果進行修正。總之,根據仿真結果,這兩種不同的結構對相同工藝下晶體管的基本電學性能影響不大,一定條件下,在電路中可以互相替換使用。

2.2 總劑量特性仿真

為進一步研究兩種結構的H形管抗總劑量性能,仿真了兩種管子受總劑量輻射的過程。輻射時間從T=100 s開始到T=2 100 s結束;漏極電壓Vds及柵極電壓Vgs隨時間T的變化在仿真結果中給出;輻射劑量率分別為1 Gy(Si)/s、2.5 Gy(Si)/s[10]。為了驗證是柵氧還是STI造成的漏電,同時仿真了去掉STI結構的晶體管,編號為NO-STI。仿真過程中,柵氧和STI根據需要處理為寬禁帶的半導體材料。

如圖3所示,顯示了兩種H形管及沒有STI結構的晶體管的抗總劑量仿真結果。仿真結果顯示,沒有STI結構的管子不存在輻照造成的柵氧漏電,說明0.13 μm工藝下,輻照主要影響STI,對柵氧的影響已經小到可以忽略;C-H結構的H形管在劑量率為1 Gy(Si)/s輻照下,在T=1 500 s時開始出現漏電,在劑量率為2.5 Gy(Si)/s輻照下,在T=600 s時就出現漏電,其抗總劑量能力在1 250 Gy/Si～1 500 Gy/Si之間;S-H結構的H形管在劑量率為1 Gy(Si)/s輻照下,在T=17s之后開始出現漏電,在劑量率為2.5 Gy(Si)/s輻照下,在T=7 s之后開始出現漏電,同時其漏電大小較C-H結構的要低,其抗總劑量能力為1 500 Gy/Si～1 600 Gy/Si之間。

圖3 線性(a)和對數(b)坐標下抗總劑量仿真曲線

根據仿真結果,S-H結構的H形管抗總劑量能力較C-H結構有所提高。這是因為,輻射使正電荷在STI中積累,當STI中的正電荷積累到一定量,會導致與STI接觸的體區表面反型,造成晶體管中的漏電。而S-H結構中造成漏電的STI中,有一段是包圍著襯底接觸區,此處的摻雜濃度比體區高,使這一段STI需要積累更多的正電荷才能使漏電通道開啟;同時,S-H有更長的STI漏電通道,漏電通道開啟后有較大的電阻,使漏電流下降。

S-H結構相當于增大了體區摻雜濃度,增大了漏電通道的電阻,使其較C-H結構具有更大的抗總劑量性能,及更小的漏電流。

3 結論

仿真結果顯示,兩種0.13 μm尺寸的H形管,理想狀態下有基本相同的轉移特性曲線,但S-H結構由于有效溝道寬度Weff較大,所以有較大的飽和電流。在抗總劑量方面,S-H結構變相增大了體區摻雜濃度和漏電通道的電阻,所以其抗總劑量能力較C-H結構有所提高,但這是以增大面積為代價的。

總之,在抗輻照要求的芯片中,可以考慮采用S-H結構的H形管來做抗總劑量效應的加固,但要兼顧對芯片面積的要求。

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[4]馮彥君,華更新,劉淑芬. 航天電子抗輻射研究綜述[J]. 宇航學報,2007,28(5):1071-1080.

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裴國旭(1972-),男,吉林省梅河口市人,工學學士,工程師,研究方向為集成電路抗輻照加固設計與研究、集成電路失效分析等,gxpei@ssmec.com;

鄧玉良(1969-),男,遼寧省沈陽市,博士,高級工程師,研究方向為高性能微處理器、存儲器和可編程邏輯器件,yldeng@ssmec.com。

SimulationoftheTotalIonizingDoseEffectofTwoKindsofDifferentH-GateMOSFETs

PEIGuoxu*,DENGYuling,QIUHenggong,LIXiaohui,ZOULi

(Shenzhen StateMicro Electronics Co.,Ltd,Shengzhen Guangdong 518057,China)

Two different structures of H-gate MOSFETs’ performances are simulated,which are used to study total dose radiation hardness of commercial 0.13 μm CMOS process. Simulation results show that two kinds of different H-gate MOSFETs have basically same transfer characteristics curves. But one of two structures H-gate MOSFETs has bigger saturation current and radiation-hardened for radiation applications. This kind of H-gate MOSFETs could be considered to be used in the radiation hardened ICs.

radiation hardened;total ionizing dose effect;H-gate transistor

2013-10-23修改日期:2013-12-05

O472.8

:A

:1005-9490(2014)06-1054-03

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.06.009