脈沖γ 射線誘發(fā)N 型金屬氧化物場效應(yīng)晶體管縱向寄生效應(yīng)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(shù)研究所，強脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點實驗室，西安 710024)

金屬氧化物場效應(yīng)晶體管作為大規(guī)模數(shù)字電路的基本單元，其內(nèi)部的寄生效應(yīng)一直以來被認(rèn)為是影響集成電路在脈沖γ 射線輻射環(huán)境中發(fā)生擾動、翻轉(zhuǎn)以及閂鎖的重要因素.為研究脈沖γ 射線誘發(fā)N 型金屬氧化物場效應(yīng)晶體管內(nèi)部縱向寄生效應(yīng)的開啟機制，通過TCAD 構(gòu)建了40，90 以及180 nm 3 種不同工藝節(jié)點的NMOS 晶體管進行瞬時電離輻射效應(yīng)仿真，得到了縱向寄生三極管電流增益隨工藝節(jié)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(tài)的影響.結(jié)果表明:1)脈沖γ 射線在輻射瞬時誘發(fā)NMOS 晶體管內(nèi)部阱電勢抬升是導(dǎo)致縱向寄生三極管開啟的主要原因;2)當(dāng)縱向寄生三極管導(dǎo)通時，NMOS晶體管內(nèi)部會產(chǎn)生強烈的二次光電流影響晶體管的工作狀態(tài);3) NMOS 晶體管內(nèi)部縱向寄生三極管的電流增益隨工藝節(jié)點的減小而減小.研究結(jié)果可為電子器件的瞬時電離輻射效應(yīng)機理研究提供理論依據(jù).

1 引言

隨著半導(dǎo)體制造工藝的不斷發(fā)展，高性能、高集成度的納米器件在航天、國防等關(guān)鍵電子系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛，當(dāng)遭遇脈沖γ射線時，其工作可靠性會受到嚴(yán)重影響，因此納米器件的瞬時電離輻射效應(yīng)研究受到高度關(guān)注.高強度納秒級脈沖γ射線作用于電子器件時會在其內(nèi)部產(chǎn)生強瞬時光電流[1-6]導(dǎo)致器件輸出擾動[7，8]、數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)[9-12]，甚至閂鎖[13，14]及燒毀[8，15]，器件中金屬氧化物場效應(yīng)晶體管(metal oxide semiconductor field effect transistor，MOSFET)內(nèi)部的寄生結(jié)構(gòu)是瞬時光電流產(chǎn)生的基本敏感區(qū)域，研究寄生效應(yīng)在脈沖γ射線輻射環(huán)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(yīng)機理研究提供理論依據(jù).

MOS 管作為集成電路的基本單元，其內(nèi)部的寄生效應(yīng)一直以來被認(rèn)為是影響電子器件在瞬時電離輻射環(huán)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(yīng)研究指出[16，17]，當(dāng)重離子轟擊PMOS 管漏極時會引起橫向寄生雙極放大效應(yīng)影響PMOS 管的工作狀態(tài)，但未討論縱向寄生效應(yīng)情況，在脈沖γ射線輻射環(huán)境下，縱向寄生效應(yīng)開啟也會對MOS 管的輸出狀態(tài)產(chǎn)生明顯影響.國內(nèi)對大規(guī)模集成電路的瞬時電離輻射效應(yīng)實驗結(jié)果分析認(rèn)為[9，18]，MOS 管內(nèi)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(gòu)建不同工藝尺寸NMOS管器件模型，針對NMOS 管在大規(guī)模集成電路中的兩種典型工作狀態(tài)[19](NMOS 管截止:柵極、源極置低，漏極置高;NMOS 管導(dǎo)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(tài)下NMOS 管內(nèi)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(guān)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(qū)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(yīng)機理分析與模型構(gòu)建

2.1 寄生效應(yīng)機理分析

圖1 為NMOS 管寄生效應(yīng)示意圖，NMOS 管內(nèi)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(jié)結(jié)面積與空間電荷區(qū)較小，而P 阱與N 型襯底之間形成的寄生PN 結(jié)結(jié)面積與空間電荷區(qū)較大，因此當(dāng)脈沖γ射線入射時，對初次光電流起放大作用產(chǎn)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(fā)射極，P 阱為基極，襯底為收集極.當(dāng)源漏極與P 阱處于反偏狀態(tài)時，VT2 發(fā)射結(jié)反偏，VT2 無法導(dǎo)通.脈沖γ射線入射后，P 阱中產(chǎn)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(dǎo)致P 阱電勢的抬升.當(dāng)P 阱電勢抬升到一定程度時，源漏極與P 阱結(jié)正偏而襯底與P 阱結(jié)反偏時，VT2 的發(fā)射結(jié)正偏而集電結(jié)反偏，處于正向放大狀態(tài)，大量電子通過正偏的發(fā)射結(jié)注入P 阱，導(dǎo)致源漏電勢升高影響NMOS 管的工作狀態(tài).

圖1 NMOS 管寄生效應(yīng)示意圖Fig.1.Parasitic effect schematic of NMOS.

2.2 TCAD 器件模型校準(zhǔn)與仿真設(shè)置

本文構(gòu)建的NMOS 管器件模型結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)與工藝參數(shù)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(diào)節(jié)晶體管的閾值電壓，當(dāng)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(diào)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(diào)節(jié)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(zhì)是消除短溝道效應(yīng);源漏輕摻雜決定了器件的串聯(lián)電阻，對于器件的最大驅(qū)動強度有重要影響.通過反復(fù)調(diào)節(jié)這些摻雜的濃度，并與器件的SPICE模型常態(tài)特性進行對比，對NMOS 管的TCAD 器件模型進行常態(tài)特性校準(zhǔn).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(yīng)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(fù)合模型以及俄歇復(fù)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(xué)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(jié)構(gòu)參數(shù)與工藝參數(shù)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(zhuǎn)移特性曲線與輸出特性曲線進行了仿真，其中轉(zhuǎn)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(tài)特性校準(zhǔn)曲線如圖4—圖6 所示，在常態(tài)特性校準(zhǔn)過程中參考了文獻(xiàn)[21，22]，經(jīng)過校準(zhǔn)的三維器件模型常態(tài)電學(xué)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(tài)特性校準(zhǔn)曲線 (a) 轉(zhuǎn)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(tài)特性校準(zhǔn)曲線 (a)轉(zhuǎn)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(tài)特性校準(zhǔn)曲線 (a) 轉(zhuǎn)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(fā)縱向寄生三極管開啟條件仿真分析

當(dāng)脈沖γ射線入射時，縱向寄生三極管的BE(基極-發(fā)射極)結(jié)和B-C(基極-集電極)結(jié)均會產(chǎn)生瞬時光電流.對于縱向寄生三極管，B-C 結(jié)的電荷收集體積遠(yuǎn)大于B-E 結(jié)，導(dǎo)致B-C 結(jié)產(chǎn)生的瞬時光電流遠(yuǎn)大于B-E 結(jié)產(chǎn)生的瞬時光電流，因此通常只考慮B-C 結(jié)產(chǎn)生的初次光電流.當(dāng)B-C 結(jié)產(chǎn)生的初次光電流入射至基極，基極電勢會相應(yīng)地抬升，當(dāng)基極電勢抬升使B-E 結(jié)正偏時，大量電子通過發(fā)射極入射至基極后被B-C 結(jié)收集，從而形成由集電極至發(fā)射極的二次光電流.二次光電流的表達(dá)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(chǎn)生會改變源或漏極的偏置電壓，影響NMOS 管的工作狀態(tài).當(dāng)阱偏置接地時，分別設(shè)置NMOS 管處于截止?fàn)顟B(tài)(柵極偏置0 V、源極偏置0 V、漏極偏置1.2 V)與導(dǎo)通狀態(tài)(柵極偏置1.2 V、源極偏置0 V、漏極偏置0 V).設(shè)置脈沖γ射線參數(shù)為劑量率2×107Gy(Si)/s，脈沖寬度50 ns，脈沖持續(xù)時間為20—70 ns.在此條件下P 阱、襯底以及源漏產(chǎn)生的瞬時光電流如圖7 與圖8 所示.

圖7 NMOS 管截止時內(nèi)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(dǎo)通時內(nèi)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(chǎn)生納安級瞬時光電流，襯底與P 阱產(chǎn)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(fù)，縱向寄生三極管沒有導(dǎo)通，否則襯底產(chǎn)生的瞬時光電流會從漏或源極流出使其電流方向為負(fù).NMOS 管內(nèi)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(nèi)部P 阱電勢沒有明顯變化，穩(wěn)定在0 V 附近，輻射瞬時產(chǎn)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(nèi)部產(chǎn)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(dǎo)通開啟.當(dāng)脈沖γ射線劑量率增大到1×1010Gy(Si)/s 時，NMOS 管內(nèi)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(dǎo)通時為準(zhǔn)).

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(chǎn)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(dǎo)致P 阱電勢明顯抬升.在此條件下，NMOS 管分別處于截止與導(dǎo)通狀態(tài)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(nèi)部瞬時光電流Fig.11.Photocurrent of NMOS when channel is cut-off.

圖12 NMOS 管導(dǎo)通時內(nèi)部瞬時光電流Fig.12.Photocurrent of NMOS when channel is turn-on.

當(dāng)NMOS 管處于截止?fàn)顟B(tài)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(fā)射結(jié)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(fā)射結(jié)正偏而開啟，源極作為發(fā)射極向襯底發(fā)射大量電子，在源極產(chǎn)生約2.4 mA 的二次光電流，如圖11 所示.當(dāng)NMOS 管導(dǎo)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(fā)射結(jié)正偏而開啟，NMOS 管的源極與漏極同時作為發(fā)射極向襯底發(fā)射大量電子，在NMOS 管的源極與漏極都會產(chǎn)生很大的二次光電流，如圖12 所示.根據(jù)以上仿真結(jié)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(dá)到縱向寄生三極管的開啟條件，此時對NMOS 管產(chǎn)生輻射損傷的主要為初次光電流;而當(dāng)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(fā)射極產(chǎn)生強烈的二次光電流.其中當(dāng)NMOS 處于截止?fàn)顟B(tài)時，只有NMOS管的源極作為寄生三極管的發(fā)射極;而當(dāng)NMOS管導(dǎo)通時，源漏極均成為寄生三極管的發(fā)射極產(chǎn)生強烈的二次光電流.

4 寄生效應(yīng)隨特征尺寸的變化趨勢

為分析縱向寄生效應(yīng)隨特征尺寸的變化趨勢，根據(jù)所構(gòu)建的3 種尺寸NMOS 管，仿真了NMOS管縱向寄生三極管的共發(fā)射極電流增益.如圖13所示，所有NMOS 管內(nèi)部的縱向寄生三極管的電流增益都表現(xiàn)出開始隨P 阱電壓的升高而增大，當(dāng)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(fā)生了大注入效應(yīng)，導(dǎo)致發(fā)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(fā)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(fā)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(dǎo)致縱向寄生三極管基區(qū)摻雜濃度升高，發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射的載流子在基區(qū)的復(fù)合率增加;另一方面阱深及阱面積不斷減小，導(dǎo)致集電結(jié)電荷收集體積的減小.兩個因素綜合影響導(dǎo)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(yīng)敏感性逐漸降低的一個因素[13].

5 結(jié)論

本文針對NMOS 管在大規(guī)模集成電路中的兩種典型工作狀態(tài)在脈沖γ射線輻射環(huán)境中縱向寄生效應(yīng)的開啟機制進行了仿真研究.當(dāng)脈沖γ射線的劑量率較高時，P 阱產(chǎn)生的初次光電流強度較大，由于P 阱電阻的分壓會導(dǎo)致P 阱電勢的明顯抬升從而使縱向寄生三極管開啟.當(dāng)NMOS 管處于截止?fàn)顟B(tài)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(dāng)NMOS管導(dǎo)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(tài).根據(jù)TCAD 仿真結(jié)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(yīng)敏感性越來越弱的重要因素.