超深亚微米SOINMOSFET中子辐照效应数值模拟

1、2012-07-13#2012-07-13#2#0#1#2#-07-13#超深亚微米中子辐照效应数值模拟胡志良，贺朝会，张国和，郭达禧（西 安 交 通 大 学 能 源 与 动 力 工 程 学 院 ，陕 西 西 安）摘 要 ：考 虑 种 特 征 尺 寸 的 超 深 亚 微 米 的 中 子 辐 照 效 应 。 分 析 了 中 子 位 移 辐 照 损 伤 机理 ，数 值 模 拟 了 种 器 件 输 出 特 性 曲 线 随 能 量 为 的 等 效 中 子 在 不 同 辐 照 注 量 下 的 变 化 关 系 及 中 子 辐 照 环 境 下 器 件 工 艺 参 数 对 超 深 亚 微 米 的 影 响 。

2、数 值 模 拟 部 分 结 果 与 反 应 堆 中 子辐 照 实 验 结 果 一 致 。关 键 词 ：中 子 辐 照 ；超 深 亚 微 米 ；数 值 模 拟中 图 分 类 号 ：文 献 标 志 码 ：文 章 编 号 ：（） ， ， （，）： （， ） ：；相 对 于 传 统 的 体 硅 器 件 ，器 件 具 有 更小 的 寄 生 电 容 、工 作 速 度 快 、对 软 实 效 的 敏 感 性低 等 优 点，同 时 具 有 很 强 的 抗 辐 照 能 力 ，广 泛应 用 于 空 间 和 军 事 领 域。 近 年 来 ，对 器件 的 抗 辐 照 性 能 进 行 了 大 量 研 究 ，其 主 要 工

3、 作 是 对 一 些 辐 射 加 固 和 俘 获 电 荷 的 产 生 机 制 进 行 物 理 分 析，但 因 其 物 理 过 程 复 杂 ，很 多 问 题还 在 探 讨 中 。 目 前 ，国 内 外 有 关 中 子 辐 照 超 深 亚 微 米 的 相 关 报 道 较 少 ，西 北 核 技术 研 究 所 曾 用 模 拟 中 子 辐 照 超 深 亚微 米 ，但 就 单 纯 探 讨 中 子 位 移 损 伤对 器 件 影 响 及 器 件 抗 中 子 辐 照 几 何 参 数 优 化 问 题 尚 未 见 报 道 。 本 工 作 就 超 深 亚 微 米 中 子 位 移 损 伤 问 题 进 行 尝 试性 研

4、究 ，旨 在 初 步 弄 清 中 子 位 移 损 伤 对 超 深 亚 微 米 电 学 性 能 的 影 响 ，为 抗 中 子 位 移 辐 射 加 固 研 究 提 供 理 论 依 据 和 技 术 支 持 。2012-收0稿7日-期 ：13#；修#回#日#期#：#2012-07-13#2#0#1#2#-07-13#中 子 位 移 损 伤 机 理中 子 不 带 电 ，其 穿 透 能 力 极 强 ，与 半 导 体 材 料 作 用 易 形 成 弗 伦 克 尔 缺 陷 。 对 于 硅，快 中 子 的 碰 撞 截 面 约 为，这 意 味 着 只 有 极 少 数 快 中 子 能 产 生 缺 陷 团 ，当 在 较

5、 低 注 量 快 中 子 辐 照 时 ，位 移 缺 陷 均 匀 地 、稀 疏 地 分 布 在 整 个 样 品 体 内 ，平 均 位 移 损 伤 密 度 很 低。 其 在 禁 带 中 形 成 新 的 电 子 能 级 ，可 充 当 载 流 子 的 产 生 复 合 中 心 ，对 有 效 载 流 子 浓 度 、载 流 子 迁 移 率 、界 面 复 合 速 率 ，特 别 是 少 数 载 流 子 寿 命 有 很 大 影 响 。中 子 位 移 效 应 可 有 效 地 改 变 半 导 体 材 料（如 、等）的 微 观 性 质 ，少 数 载 流 子 寿 命 的 退化 是 半 导 体 器 件 对 中 子 辐 射

6、敏 感 的 主 要 原 因 。本 工 作 选 用 的 中 子 注 量 为 × ×，其 中 少 数 载 流 子 寿 命 随 辐 照 注 量 的 关 系为 ：进 行 模 拟 ，为 得 到 合 理 结 果 ，须 考 虑 量 子 效 应 ，迁 移 率 模 型 采 用 和 模 型 ，复 合 模 型 采 用 、 和 模 型 。 数 值 方 法 用 耦 合 算 法 计 算 半 导 体 器 件 物 理 的 基 本 方 程进 行 器 件 数 值 模 拟 ， 种 器 件 遵 照 恒 场 等 比 例 原 则。 超 深 亚 微 米 中 子 辐 照 效 应 的 数 值 模 拟 与 分 析模 型 中

7、的 栅 氧 厚 仅 为 几，中 子 辐 照 穿 透 能 量 损 失 极 小 ，因 此 ，不 考 虑中 子 在 栅氧 中 的 能 量 沉积 。图 示 出 运 用 能 量 平 衡 模 型 数 值 模 拟 能量 为 的 等 效 中 子 在 不 同 辐 照 注 量 下 对 转 移 特 性 的 影 响 ，即 数 值 模 拟 少 子 寿 命 、迁 移 率 、多 子 浓 度 随 中 子 注 量 增 大 而 减 小 ，而 界 面 复 合 速 率 随 中 子 注 量 增 大 而 增 大 对 器 件 产 生 的 影 响 。从 图 可 看 到 ， 中 子 辐 照 后 ，漏 电 流 减 小 ；随 中 子 辐 照 注

8、量 的 增 大 ，漏 电 流 减 小 更 显 著 。图示 出 反 应 堆 中 子 辐 照 在 不 同 注 量 下 （）式 中 ：为 在 辐 照 注 量 为 时 少 数 载 流 子 寿 命 ； 为 辐 照 前 少 数 载 流 子 寿 命 ； 为 辐 照 损 伤系 数 ，× 。对 转 移 特 性 影 响 的 实 验 结 果 数 值 模 拟 与迁 移 率 随 辐 照 注 量 的 关 系为 ： 反 应 堆 实 验 的 器 件 参 数 虽 有 差 别 ，但 对 器 件 受中 子 辐 照 影 响 的 变 化 规 律 ，数 值 模 拟 结 果 与 实验 结 果 的 变 化 趋 势 基 本 一 致

9、。 不 同 下 中 子 注 量 对 器 件 性 能 的（）式 中 ： 为 在 辐 照 注 量 为 时 的 迁 移 率 ； 为辐 照 前 迁 移 率 ； 为 迁 移 率 辐 照 损 伤 系 数 ，。 ×影 响图示出 不 同 特 征 尺寸器 件 多数载流子浓度随辐照注量的关系为：时 漏 电 流 随 中 子 注 量 的 变 化 情 况 。随 着 中 子 注量 的 增 加 ，漏 电 流 逐 步 降 低 。 低 注 量 时 漏 电 流 下 降 缓 慢，随 着 注 量 的 增 大 ，中 子 辐 照 前 后 的 区 别 逐 渐 明 显 ，当 中 子 注 量 大 于 × 时 ， 其 曲 线

10、 明 显 向 右 下 偏 移 （图 ），这 是 因 为 中 子 辐 照 产 生 的 效 应 开 始 显 著 ，尤 其 是 当 中 子 注 量 为 ×时 ，漏 电 流 显 著 减 小 。（）（） （）式 中 ：（）为 在 辐 照 注 量 为 时 的 多 数 载 流子 浓 度 ；（）为 辐 照 前 多 数 载 流 子 浓 度 ；×，。由于中子 作 用 于 界 面 时，会 引 起 界面复合速率的改变，其与辐照注量的关系为：（）（）（）不 同 掺 杂 浓 度 下 器 件 漏 电 流 与 中 子 注式 中 ：（）为 在 辐 照 注 量 为 时 的 复 合 速 率 ；（）为 辐 照 前

11、 复 合 速 率 ； 为 复 合 速 率 辐 照 损伤 系 数 ，对 于 型 硅， × ；对于 型 硅，×。量 的 关 系图 示 出 辐 照 前 后 时漏 电 流 随 掺 杂 浓 度 的 变 化 曲 线 。同 一 尺寸器 件 曲 线 模 拟 结 果 与 文 献 一 致 ，即 增 大 掺杂 浓 度 ，相 同 栅 压 对 应 的 漏 电 流 减 小 。 从 图 中 可 看 出 ：掺 杂 浓 度 越 低 ，漏 电 流 越 大 ，这 是 因 为 低 掺 杂 浓 度 可 明 显 抑 制 短 沟 道 效 应 和 热 载 流 子数 值 模 拟 与 分 析 超 深 亚 微 米 器 件 建

12、模效 应 ，使 得 相 同 栅 压 下 掺 杂 浓 度 越 低 的 硅 膜 中201采2用-三0维7器-1件3模#拟#软#件#对#器2件0特1性2-0反7型-载1流3子2#的0#浓1#度2#越-#大0#7#。-#13#图 在 不 同 中 子 注 量 下 的 转 移 特 性 模 拟 结 果 ； 实 验 结 果 时 漏 电 流 随 衬 底 偏 压 的 变 化 。 辐照 前 后 ，随 着 衬 底 偏 压 的 升 高 ，漏 电 流 逐 渐 升 高 ，且 对 于 同 一 尺 寸 器 件 在 偏 压 增 加 相 同 的 情 况 下 ，漏 电 流 的 增 加 量 大 体 相 同 ，也 即 器 件 并 未 因

13、 辐 照 在 相 同 的 偏 压 下 漏 电 流 的 增 加 量 有 所 变 化 。分 析 认 为 可 能 的 原 因 如 下 ：对 于 器件 ，考 虑 到 埋 氧 二 维 电 场 的 有 效 衬 底 偏 压 （），式 中 和仅 与 埋 氧 厚 度 有 关 ，由 于 在 辐 照 模 拟 中 未 考 虑中 子 对 埋 氧 化 物 以 及 硅 衬 底 的 位 移 损 伤 ，在 上式 中 基 本 可 认 为 右 边 第 项 不 变 ，当 衬 底 偏 压图 不 同 特 征 尺 寸 器 件 时漏 电 流 随 中 子 注 量 的 变 化 变 化 时 ， 相 应 变 化 ，漏 电 流 也 相 应 改 变 。

14、基 于 此 ，当 器 件 因 中 子 辐 照 致 使 漏 电 流 减 小 时 ，仅 从 电 流 考 虑 ，可 通 过 适 当 调 整 衬 底 偏 压 来确 保 器 件 工 作 电 流 的 稳 定 。 由 图 还 可 看到 ， 、， 均 大 于， ，且 辐 照 前 后， 变 化 小 ，说 明 该 尺 寸 器 件 对 辐 照 的 敏 感 程 度 不及 其 他 两 种 尺寸器 件 。不 同 硅 膜 厚 度 下 器 件 漏 电 流 与 中 子 注量 的 关 系图 示 出 辐 照 前 后 时漏 电 流 随 硅 膜 厚 度 的 变 化 。 随 硅 膜 厚 度 的 增加 ，漏 电 流 减 小 ，这 是 因

15、为 全 耗 尽 模 式 下 在 硅膜较 薄 时 ，增 大 硅膜 厚 度 对 体 电 容 影 响 不 大 ，体 电阻 迅 速 减 小 ， 随 硅 膜 厚 度 的 增 加 而 减 小 ，当 硅膜 厚 度 继 续 增 加 时 ， 的 减 小 被 的 增加 而 抵消 ，因 而 趋 于 最 小 值 ，这 便 出 现 漏电 流 的 某 一 最 小 值 ；继 续 增 大 硅膜 厚 度 ，器 件 由图 辐 照 前 后 时 漏 电 流 随 掺 杂 浓 度 的 变 化 不 同 衬 底 电 压 下 器 件 漏 电 流 与 中 子 注20量1的2关-系07图-1示3#出#不#同#尺#寸#器#件#辐2照0前1后2-0全

16、7耗-尽13进#入2#部0#1分#2耗#-尽#0，#体7#-电1容3随#源#漏#结#面#图 辐 照 前 后 时 漏 电 流 随 衬 底 偏 压 的 变 化 积 的 增 大 而 迅 速 增 大 ， “反 弹 ”回 升 ，致 使漏 电 流 有 一 定 程 度 的 回 升 。 另 外 ，当 硅 膜 较 薄 时 ，即 使 中 子 注 量 高 达 × ，辐 照 后 器 件 仍 能 保 持 较 大 的 漏 电 流 。氧 使 得 前 背 栅 的 耦 合 作 用 很 弱 ，致 使 辐 照 前 后漏 电 流 变 化 很 小 。图 辐 照 前 后 时 漏 电 流 随 埋 氧 厚 度 的 变 化 图 辐

17、照 前 后 时 漏 电 流 随 硅 膜 厚 度 的 变 化不 同 栅 氧 厚 度 下 器 件 漏 电 流 与 中 子 注 量 的 关 系图 示 出 不 同 尺 寸 器 件 辐 照 前 后 时 漏 电 流 随 栅 氧 厚 度 的 变 化 。 栅氧 越 薄 ，相 同 栅 电 压 下 输 出 电 流 越 大 。 在 相 同电 压 下 ，器 件 的 横 向（沟 道 方 向）和 垂 直 方 向（垂直 于 沟 道 方 向）的 电 场 强 度 会 明 显 增 强 ，从 而 易 产 生 热 载 流 子 ，并 产 生 一 系 列 的 热 载 流 子 效 应 ， 引 起 性 能 的 退 化 。 同 时 ，因 为

18、沟 道 长 度 的 减 小 ，源 漏 耗 尽 层 区 域 越 来 越 靠 近 ，在 粒 子 入 射 的 干 扰 下 ，可 能 导 致 源 漏 导 通 ，使 源 衬 结 势 垒 降 低 ，从 源 区 注 入 沟 道 的 电 子 增 大 ， 导 致 漏 源 电 流 增 大 。 薄 栅 情 况 下 ，辐 照 前 后 相 同 栅 电 压 下 漏 电 流 变 化 越 大 ，器 件 仍 有 较 大 的 漏 电 流 ，其 抗 中 子 辐 照 能 力 相 对 较 强 。 但 栅 氧 过 薄 时 ，热 载 流 子 效 应 会 引 起 泄 漏 电 流 ，因 此 栅不 同 埋 氧 厚 度 下 器 件 漏 电 流 与

19、 中 子 注量 的 关 系图 示 出 辐 照 前 后 时漏 电 流 随 埋 氧 厚 度 的 变 化 。 由 图 可 见 ，随 着埋 氧 厚 度 的 增 加 ，其 漏 电 流 逐 渐 减 小 并 稳 定 在某 一 水 平 。 分 析 认 为 ：全 耗 尽 的 器 件 ，短 沟 道 效 应 （）和 漏 致 势 垒 效 应 （）有 较 大 改 善，前 背 栅 的 耦 合 作 用 占 据 主 导 地 位 ， 增 加 埋 氧 厚 度 可 增 加 因 辐 照 导 致 的 氧 化 物 陷 阱 电 荷 的 积 累，这 使 得 前 背 栅的 耦 合 作 用 减 弱 ，漏 电 流 减 小 ，当 埋 氧 厚 度 增

20、 加 到 某 一 值 时 ，前 背 栅 的 耦 合 作 用 可 忽 略 ，这 时 即 使 继 续 增 加 埋 氧 厚 度 ，漏 电 流 仍 保 持 不 变 。 另 外 ，埋 氧 厚 度 较 大时 ，辐 照 前 后 器 件 的 漏 电 流 变 化 很 小 ，这 是 因 为2在0忽1略2中-子0对7二-1氧3化#硅#损#伤#的#条#件#下#，2厚0的1埋2-0氧7厚-度1应3大2#于0#一1#临2#界-#值0#7#。-#13#图 辐 照 前 后 时 漏 电 流 随 栅 氧 厚 度 的 变 化 ， ，结 论以 种 尺 寸 的 全 耗 尽 为 对 象 ，数 值 模 拟 其 在 能 量 为 的 等 效

21、中 子 不 同 辐 照 注 量 下 输 出 特 性 曲 线 变 化 关 系 ，数 值 模 拟 部 分 结 果 与 反 应 堆 中 子 辐 照 实 验 结 果 一致 。研 究 表 明 ：当 中 子 注 量 小 于 × 时 ，中 子 辐 照 对 器 件 性 能 影 响 不 明 显 ，当 中 子 注 量 大 于 × 时 ，辐 照 前 后 的 区 别 便 显 现 出 来 ；对 于 深 亚 微 米 和 超 深 亚 微 米 器 件 ，薄 栅、薄 硅膜 、轻 掺 杂 以 及 适 当 较 厚 的 埋 氧 厚 度 对 提 高 器 件 抗 中 子 辐 照 性 能 效 果 明 显 ，另 外 发 现 ， 当 器 件 因 中 子 辐 照 引 起 性 能 退 化 时 ，可 通 过 加 适 当 衬 底 偏 压 来 维 持 器