盧超 陳偉 羅尹虹 丁李利 王勛 趙雯 郭曉強(qiáng) 李賽

1)(清華大學(xué)工程物理系,粒子技術(shù)與輻射成像(教育部重點實驗室),北京 100084)

2)(西北核技術(shù)研究院,強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點實驗室,西安 710024)

3)(中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心,北京 101400)

體硅鰭形場效應(yīng)晶體管(FinFET)是晶體管尺寸縮小到30 nm以下應(yīng)用最多的結(jié)構(gòu),其單粒子瞬態(tài)產(chǎn)生機(jī)理值得關(guān)注.利用脈沖激光單粒子效應(yīng)模擬平臺開展了柵長為 30,40,60,100 nm FinFET 器件的單粒子瞬態(tài)實驗,研究FinFET器件單粒子瞬態(tài)電流脈沖波形隨柵長變化情況;利用計算機(jī)輔助設(shè)計(technology computer-aided design,TCAD)軟件仿真比較電流脈沖產(chǎn)生過程中器件內(nèi)部電子濃度和電勢變化,研究漏電流脈沖波形產(chǎn)生的物理機(jī)理.研究表明,不同柵長FinFET器件瞬態(tài)電流脈沖尾部都存在明顯的平臺區(qū),且平臺區(qū)電流值隨著柵長變短而增大;入射激光在器件溝道區(qū)下方體區(qū)產(chǎn)生高濃度電子將源漏導(dǎo)通產(chǎn)生導(dǎo)通電流,而源漏導(dǎo)通升高了體區(qū)電勢,抑制體區(qū)高濃度電子擴(kuò)散,使得導(dǎo)通狀態(tài)維持時間長,形成平臺區(qū)電流;尾部平臺區(qū)由于持續(xù)時間長,收集電荷量大,會嚴(yán)重影響器件工作狀態(tài)和性能.研究結(jié)論為納米FinFET器件抗輻射加固提供理論支撐.

1 引 言

體硅FinFET器件由于獨特的三維多柵結(jié)構(gòu)而擁有杰出的靜電延展性和柵控能力,可以克服短溝道效應(yīng)對器件特征尺寸繼續(xù)縮小的限制,使得CMOS器件尺寸可以持續(xù)縮小到22 nm以下[1].同時其與傳統(tǒng)平面工藝的兼容性,使得在提高性能的同時,可以有效的控制成本,目前 Intel和Xilinx等芯片廠商已經(jīng)將商用FinFET器件尺寸縮小到16 nm甚至更小尺寸.將FinFET器件應(yīng)用于航天器中,宇宙空間中存在的高能離子會穿過航天器的屏蔽層輻照其中的電子系統(tǒng),在半導(dǎo)體器件上產(chǎn)生總劑量效應(yīng)和單粒子效應(yīng)等輻射效應(yīng),而對于納米器件單粒子效應(yīng)是影響器件性能的主要輻射效應(yīng)[2].因此,對于FinFET器件單粒子效應(yīng)的研究非常重要.

目前國內(nèi)外學(xué)者對FinFET器件單粒子效應(yīng)開展了相關(guān)實驗研究并取得了一定的成果.國外學(xué)者對于FinFET單粒子效應(yīng)的研究主要包括對電路單粒子翻轉(zhuǎn)截面的研究[3?7]和對器件單粒子瞬態(tài)的研究[8?14].Nsengiyumva 等[3,4]研究了16 nm 體硅FinFET觸發(fā)器和28 nm平面器件觸發(fā)器在不同LET、不同入射位置、不同供電電壓等條件下的翻轉(zhuǎn)截面,得到FinFET器件單粒子翻轉(zhuǎn)截面響應(yīng)與平面器件的差異;文獻(xiàn)[5?7]報道了重離子入射角度和偏壓對14/16 nm體硅FinFET D觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)截面的影響及其機(jī)理;文獻(xiàn)[8]研究了FinFET參數(shù)變化對邏輯電路中單粒子瞬態(tài)的影響;文獻(xiàn)[9]研究了平面器件和FinFET器件單粒子閂鎖敏感性差異.文獻(xiàn)[10?12]全面地研究了柵長為50和100 nm InGaAs溝道FinFET器件單粒子瞬態(tài)與器件Fin寬、襯底種類、偏置電壓和入射激光波長的相關(guān)性,并結(jié)合 TCAD仿真研究得到InGaAs器件的電荷收集機(jī)制.文獻(xiàn)[13,14]通過激光和重離子實驗研究比較了70 nm體硅和SOI FinFET器件的單粒子瞬態(tài)響應(yīng),得到體硅器件相比 SOI有更大的半高寬和幅值,并給出體硅FinFET器件單粒子效應(yīng)敏感位置.國內(nèi)學(xué)者對于FinFET器件單粒子效應(yīng)的研究較少,以對器件單粒子瞬態(tài)仿真研究為主[15?19].文獻(xiàn) [15?17]利用TCAD仿真研究得到FinFET器件fin結(jié)構(gòu)參數(shù)、偏置電壓與單粒子瞬態(tài)脈沖寬度的相關(guān)性和FinFET器件版圖結(jié)構(gòu)與器件間單粒子多瞬態(tài)效應(yīng)(SEMT)的相關(guān)性.文獻(xiàn)[18]仿真研究入射粒子LET值、入射位置、器件偏置電壓和器件參數(shù)對SOI FinFET器件單粒子瞬態(tài)的影響,得到脈沖幅值和收集電荷量隨這些變量的變化關(guān)系.文獻(xiàn)[19]仿真研究了體硅和SOI FinFET器件單粒子瞬態(tài)中電荷漂移和雙極放大效應(yīng)的貢獻(xiàn),得出在體硅器件中單粒子瞬態(tài)脈沖由電荷漂移和雙極放大效應(yīng)共同引起,而在SOI器件中以雙極放大效應(yīng)為主.

綜合來看,目前對于體硅FinFET器件單粒子效應(yīng)電路層面的研究和InGaAs溝道FinFET器件單粒子瞬態(tài)的研究較多,而對于應(yīng)用更多的柵長30 nm以下的小尺寸Si溝道FinFET器件單粒子瞬態(tài)的研究幾乎沒有.對于Si溝道FinFET器件柵長由100 nm縮小到30 nm或更小時,是否會有新的因素影響單粒子瞬態(tài)產(chǎn)生的物理機(jī)制尚不明確.

本文結(jié)合激光單粒子實驗和TCAD重離子仿真利用現(xiàn)有FinFET器件研究體硅FinFET器件柵長由100 nm縮小到30 nm,器件重離子單粒子瞬態(tài)的波形變化以及造成該變化的物理機(jī)制,研究結(jié)論將對更小尺寸FinFET器件單粒子瞬態(tài)提供理論參考.結(jié)合激光實驗和TCAD仿真是目前研究FinFET器件單粒子瞬態(tài)的重要方法.首先利用激光微束從正面輻照器件獲得30—100 nm柵長體硅FinFET器件單粒子瞬態(tài)波形和收集電荷情況,分析得到柵長變短對器件單粒子瞬態(tài)脈沖的影響.然后利用三維TCAD仿真研究器件在不同襯底厚度、柵長、入射位置和入射離子束寬度下的單粒子瞬態(tài)產(chǎn)生過程,比較產(chǎn)生過程中器件內(nèi)部電子濃度和電勢分布變化,得到柵長變短時FinFET器件重離子單粒子瞬態(tài)產(chǎn)生的物理機(jī)制.

2 器件結(jié)構(gòu)和實驗條件

2.1 器件結(jié)構(gòu)

實驗采用的器件為中國科學(xué)院微電子研究所提供的Si襯底N溝道FinFET器件,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1所示.器件是在 725 μm 硅片上形成,襯底之上為溝道截止區(qū)(channel stop)和氧化層隔離槽,溝道截止區(qū)摻雜為 2 × 1018銦摻雜,溝道截止區(qū)上為源、漏和鰭(fin)區(qū),源、漏和鰭區(qū)實際形狀為梯形,高為 35 nm,上底寬為 7 nm,下底寬為13 nm.源漏為 2 × 1020的磷摻雜,鰭區(qū)為 2 × 1018的硼摻雜.鰭上為 0.6 nm 氧化層,氧化層上為2.4 nm HfO2和5 nm TiAl形成的疊柵.實驗采用雙鰭和四鰭兩種器件,鰭間距都為 3 μm,采取 4種不同柵長器件,分別為 30,40,60和100 nm.

圖1 雙鰭 FinFET 器件結(jié)構(gòu)模型Fig.1.The structure of two fin FinFET device.

2.2 實驗條件

激光單粒子瞬態(tài)測試實驗在中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心完成,使用的激光參數(shù)為: 激光脈寬為 30 ps,重復(fù)頻率為 1 kHz,激光波長為1064 nm,光子能量為 1.168 eV,光斑直徑 1 μm,激光能量可從0 變化到10 nJ.實驗中采用激光能量為 5 nJ,根據(jù)相關(guān)報道中公式估算[20,21],5 nJ 激光在FinFET器件有源區(qū)的等效LET值大概為5 MeV·cm2/mg,在近地輻射環(huán)境中該 LET 對應(yīng)的粒子豐度較大[22],因此利用5 nJ激光研究器件單粒子瞬態(tài)對評估器件在空間輻射環(huán)境中單粒子效應(yīng)具有實際意義.實驗測試電路原理圖如圖2所示,我們使用的是未封裝的FinFET裸片,偏壓由電源通過探針輸入.激光從器件柵極頂部入射,漏端產(chǎn)生的單粒子瞬態(tài)由高頻探針引出,經(jīng)過電容器被示波器采集,使用的示波器帶寬為 20 GHz,采樣率為80 GS/s.由于FinFET器件在電路中工作狀態(tài)有開態(tài)和關(guān)態(tài)兩種,開態(tài)偏壓為漏端接高電平工作電壓,柵極接高電平閾值電壓,源襯底接地;關(guān)態(tài)偏壓為漏端接高電平工作電壓,柵、源和襯底接地.開態(tài)時,器件對單粒子瞬態(tài)不敏感,目前研究器件單粒子瞬態(tài)時,通常選擇關(guān)態(tài)偏壓.因此,實驗過程中所加偏壓為源、柵極和襯底接地,漏端接器件工作電壓 Vd=0.8 V.

圖2 實驗測試電路圖Fig.2.The circuit schematic of experience.

3 實驗結(jié)果分析

圖3為鰭數(shù)量為 4,柵長分別為 100,60和40 nm器件在5 nJ激光脈沖照射下的漏電流瞬態(tài)脈沖.結(jié)果顯示: 三種柵長FinFET器件漏電流在0.55 ns以前先快速上升再快速下降,與平面器件單粒子瞬態(tài)波形相同;而在0.55 ns以后開始緩慢下降,形成明顯的電流平臺區(qū),并且隨著柵長變短,平臺區(qū)電流值增大,而在平面器件中漏電流脈沖尾部僅存在由電荷擴(kuò)散引起的持續(xù)時間0.3 ns左右的平臺區(qū)[23].圖4顯示三種器件漏端收集電荷隨時間的變化關(guān)系,在前0.55 ns三種柵長器件收集電荷分別為 0.099,0.142和0.177 pC,而 0.55 s到2.5 ns平臺區(qū)收集電荷為 0.052,0.096和0.18 pC.可以看出隨著柵長變短,平臺區(qū)收集電荷量增大,且其對總收集電荷的貢獻(xiàn)增大,三種器件在0.55—2.50 ns平臺區(qū)收集電荷量分別為總收集電荷量的 34%,40%和51%.由于在 2.5 ns時器件漏電流還未減小到零,平臺區(qū)電流還將繼續(xù)存在,其收集電荷將繼續(xù)增大.因此,雖然平臺區(qū)電流相對漏電流脈沖幅值較小,但是其持續(xù)時間長,收集電荷量大,會嚴(yán)重影響器件工作狀態(tài)和性能.

圖3 4 鰭不同柵長 FinFET 器件在 5 nJ 激光照射下的漏電流脈沖Fig.3.Drain current transients for 4 fin FinFET of different gate length during the 5 nJ laser testing.

圖4 4 鰭不同柵長器件在 5 nJ 激光入射下漏端收集電荷與時間關(guān)系Fig.4.Drain charge collected for 4 fin FinFET of different gate length during the 5 nJ laser testing as a function of time.

圖5顯示鰭數(shù)量為 2時,100和30 nm柵長FinFET器件在5 nJ脈沖激光入射下漏電流瞬態(tài)脈沖,由圖 5 中數(shù)據(jù)可以看出,柵長為 100 nm 雙鰭FinFET器件比四鰭器件更快的形成平臺區(qū),且平臺區(qū)在 2.5 ns時收集電荷量為 0.25 pC,遠(yuǎn)大于四鰭器件時的 0.052 pC.而柵長為 30 nm 雙鰭器件漏電流在 2.5 ns時依然保持在 0.15 mA,按照平臺區(qū)電流的下降速度計算得到平臺區(qū)電流將在10 ns左右減小到零,這樣?xùn)砰L為 30 nm FinFET器件平臺區(qū)收集電荷將超過總收集電荷的65%,平臺區(qū)電流成為單粒子瞬態(tài)影響器件性能和工作狀態(tài)的主要原因.

圖5 雙鰭 100和30 nm 柵長器件在 5 nJ 激光入射下漏電流脈沖Fig.5.Drain current transients for 2 fin FinFET of different gate length during the 5 nJ laser testing.

綜上,在柵長為100 nm以下FinFET器件單粒子瞬態(tài)中平臺區(qū)電流不可忽視,且隨著柵長變短,平臺區(qū)電流成為單粒子瞬態(tài)影響器件性能的主要原因,因此,對其產(chǎn)生機(jī)制的研究將變得非常重要.FinFET器件漏電流脈沖在平臺區(qū)之前產(chǎn)生機(jī)制以漂移為主,而對于平臺區(qū)電流形成機(jī)制尚不明確.接下來通過三維TCAD 重離子單粒子效應(yīng)仿真研究器件單粒子瞬態(tài)漏電流脈沖平臺區(qū)產(chǎn)生機(jī)理.

4 三維TCAD仿真

三維TCAD模擬重離子單粒子效應(yīng),通過比較不同襯底厚度,不同柵長,和不同入射條件下器件漏電流脈沖響應(yīng)和器件內(nèi)部電子濃度和電勢變化,得出實驗中觀察到的漏電流脈沖平臺區(qū)形成機(jī)理.

由于實驗中雙鰭和四鰭器件是通過單鰭器件并行排列組成,因此多鰭結(jié)構(gòu)雖然會對器件單粒子瞬態(tài)有影響,但是不同鰭數(shù)量器件產(chǎn)生單粒子瞬態(tài)的物理機(jī)理一致,從實驗結(jié)果中也可以看出雙鰭器件和四鰭器件漏電流瞬態(tài)波形基本一致.因此仿真中采用單鰭FinFET器件,以便更清楚地研究納米FinFET器件柵長變短時單粒子瞬態(tài)平臺區(qū)產(chǎn)生機(jī)理.仿真器件模型通過與實驗器件相同工藝建模得到,除了鰭數(shù)量,器件結(jié)構(gòu)和摻雜參數(shù)都與實驗器件相同,并通過校準(zhǔn)使得單鰭FinFET仿真器件與實驗所采用的雙鰭和四鰭FinFET器件具有相同的工作電壓和閾值電壓.圖6給出了在漏端電壓為0.8 V時,柵長為30 nm單鰭仿真器件和2鰭、4鰭實驗器件轉(zhuǎn)移特性曲線 Id-Vg,可以看出三者在工作電壓0.8 V時具有相同的閾值電壓.

圖6 單鰭 FinFET 仿真器件和2 鰭、4 鰭 FinFET 實驗器件 Id-Vg 曲線Fig.6.Id-Vg for simulation single-fin FinFET and experimental 2 and 4 fins FinFET.

偏壓條件與實驗相同,漏端反偏 0.8 V,源、襯底和柵極接地.重離子垂直從器件頂部入射,在器件中產(chǎn)生電荷密度為

電荷產(chǎn)生徑向分布R(w/wt)為高斯分布,wt為特征半徑,可取不同值;入射離子束隨時間分布T(t)也為高斯分布,中心時間為 1 ns,特征時間為0.002 ns;LET(linear energy transfer)為即線性能量傳輸,單位為 MeV·cm2/mg.沿入射深度方向LET均勻分布.

4.1 襯底擴(kuò)散對漏電流脈沖的影響

首先研究平臺區(qū)電流是否與襯底厚度有關(guān).建立有源區(qū)結(jié)構(gòu)完全相同,襯底厚度分別為0.1和0.9 μm FinFET 器件,器件柵長為 30 nm,入射離子束特征半徑取為50 nm,LET 值為 5 MeV·cm2·mg–1.圖7為兩種器件在重離子入射下的漏電流脈沖,可以看出襯底厚度增大引起的擴(kuò)散電流主要作用在1.12 ns以前的漏電流下降階段,使得漏電流脈沖脈寬增大,在1.12 ns以后兩種襯底厚度器件漏電流基本相同,電流維持在0.15 mA緩慢下降,這說明襯底擴(kuò)散會增大電流脈沖寬度,但不影響拖尾平臺區(qū)電流.為了仿真更快速,接下來仿真中我們采用器件襯底厚度為0.1 μm.

圖7 TCAD模擬下襯底厚度為0.1和0.9 μm,柵長為30 nm FinFET 器件漏電流脈沖Fig.7.Drain current transients for FinFET of different substrate thickness from TCAD simulation.

4.2 源漏導(dǎo)通對漏電流脈沖的影響

比較不同柵長器件在相同重離子入射下單粒子瞬態(tài)響應(yīng)和器件內(nèi)部電子濃度和電勢分布變化,得到漏電流脈沖尾部平臺區(qū)形成機(jī)理;結(jié)合30 nm器件在不同離子束寬度入射下單粒子瞬態(tài)響應(yīng),得出平臺區(qū)電流與器件結(jié)構(gòu)及入射條件關(guān)系;比較不同入射位置,漏電流脈沖平臺區(qū)變化,得到平臺區(qū)電流與入射位置關(guān)系.

4.2.1 不同柵長

對柵長為 30,60和100 nm FinFET 器件進(jìn)行重離子注入.重離子垂直于柵極入射,離子束特征半徑為 15 nm,LET 值為 5 MeV·cm2·mg–1,離子束中心入射時間為1 ns,其他參數(shù)為默認(rèn)值.

圖8為三種器件在重離子入射下漏電流脈沖,可以看出柵長30和60 nm器件,漏電流脈沖尾部存在平臺區(qū),平臺區(qū)電流分別為0.07和0.02 mA,而柵長100 nm器件漏電流脈沖不存在尾部平臺區(qū),在 1.04 ns時其電流值為 10–5mA.說明在重離子仿真中隨著柵長變短,漏電流脈沖尾部出現(xiàn)平臺區(qū),且平臺區(qū)電流值逐漸增大,這與激光單粒子實驗得到規(guī)律基本相同;仿真得到的漏電流脈沖寬度小于實驗結(jié)果,主要是因為仿真器件襯底厚度取0.1 μm,缺少了擴(kuò)散電流的影響.

圖8 TCAD 模擬下不同柵長 FinFET 器件漏電流脈沖Fig.8.Drain current transients for FinFET of different gate length from TCAD simulation.

圖9 重離子產(chǎn)生的電荷徑向分布Fig.9.Charge generation radial distribution of heavy ion.

比較柵長30 nm FinFET器件在漏電流瞬態(tài)脈沖形成過程中電子濃度和電勢變化.特征半徑為15 nm的離子束在器件中的電荷產(chǎn)生率為圖9中實心原點連線所示,紅色和黑色圓點分別代表線性坐標(biāo)和指數(shù)坐標(biāo).其在半徑38 nm內(nèi)都可電離出 1 × 1030以上的電子空穴對.所以特征半徑15 nm重離子束會在柵長30 nm器件鰭區(qū)、部分源區(qū)、部分漏區(qū)以及他們下方的體區(qū)產(chǎn)生高濃度電子空穴對.圖10為重離子入射前(0 ns)、入射中(1 ns)和入射后(1.5 ns)30 nm 器件中電子濃度和電勢分布.對照漏電流脈沖波形的時間特性和電子濃度變化,重離子入射柵長30 nm器件時,在器件中產(chǎn)生高濃度電子空穴對.由于器件偏壓和不同區(qū)域摻雜不同,電子由漏-體結(jié)和源-體結(jié)收集,而空穴由襯底漂移收集,當(dāng)重離子入射結(jié)束,溝道區(qū)由于體積較小且與源漏直接接觸,該區(qū)產(chǎn)生的高濃度電子被源漏端快速收集;襯底區(qū)產(chǎn)生高濃度電子由于偏壓關(guān)系向上漂移,使得電子濃度減小;而溝道stop區(qū)產(chǎn)生的高濃度電子雖然也會被源漏收集,但是因為不直接接觸源漏,收集速度較慢,而且有來自襯底的飄移電子的補充,襯底電子漂移到溝道stop區(qū),由于漏端偏壓在溝道stop區(qū)產(chǎn)生的電場不是指向溝道,而是指向漏端,因此向溝道漂移的電子減少,所以最終只在溝道stop留下高濃度電子,如圖10中FinFET器件在1.5 ns時的電子濃度分布.該區(qū)域電子濃度遠(yuǎn)高于空穴濃度,使得其性質(zhì)與n型半導(dǎo)體相同,將源漏導(dǎo)通.源漏導(dǎo)通使得溝道stop區(qū)電勢升高,電勢差造成的電場力抑制了高濃度電子向四周擴(kuò)散,所以源漏導(dǎo)通狀態(tài)維持較長時間.而由于漏端偏壓高于源端,則電子不斷的由源端流向漏端,形成漏電流脈沖的平臺區(qū).

圖10 重離子入射前、入射中和入射后30 nm FinFET器件內(nèi)部電子濃度和電勢分布Fig.10.Temporary evolution of electronic density and electrostatic potential for a 30 nm FinFET.

比較三種柵長器件1.5 ns時電子濃度分布,如圖11所示,可以看出三種器件溝道stop區(qū)電子濃度都高于周圍區(qū)域,柵長30和60 nm器件源和漏被溝道stop內(nèi)高濃度電子所導(dǎo)通,在漏電流脈沖尾部形成平臺區(qū)電流.但是在柵長為100 nm時,由于柵長較長,源漏距離遠(yuǎn),高濃度電子區(qū)域不能將源漏導(dǎo)通,所以100 nm器件漏電流脈沖不存在拖尾.

圖11 不同柵長 FinFET 器件在 1.5 ns 時的電子濃度Fig.11.Electronic density for FinFET of different gate length at 1.5 ns.

4.2.2 不同離子束半徑

取離子束特征半徑 wt分別為 50,15,5和2 nm來研究其對漏電流脈沖的影響.在LET相同時,4種不同離子束寬度在柵長30 nm FinFET中造成的漏電流脈沖瞬態(tài)為圖12所示,由圖12可以看出,相同LET時,隨著入射粒子束變寬,漏電流脈沖幅值變小.相比于離子束半徑為2和5 nm,當(dāng)離子束特征半徑為15和50 nm時,漏電流脈沖出現(xiàn)平臺區(qū),且50 nm時漏電流脈沖尾部平臺區(qū)電流值大于15 nm.

圖12 30 nm 器件在不同特征半徑重離子入射下漏電流脈沖Fig.12.Drain current transient for 30 nm FinFET when heavy ion incident device with different radius.

對于脈沖幅值變化解釋: 圖9所示為離子束寬度為5和15 nm時器件中電荷產(chǎn)生率徑向分布,相同LET,入射離子束越窄,在離子束中心處產(chǎn)生的電子空穴對濃度越高,則漂移電流越大,漏電流脈沖幅值越大.

而當(dāng)重離子束特征半徑在5 nm以上時器件源漏將會被重離子電離產(chǎn)生的電子導(dǎo)通,其特征半徑越大,導(dǎo)通現(xiàn)象越嚴(yán)重.源漏導(dǎo)通就會導(dǎo)致拖尾平臺區(qū)電流,所以在圖12中,特征半徑在5 nm以上時,漏電流脈沖尾部存在平臺區(qū),且平臺區(qū)電流值隨著特征半徑增大而增大.特征半徑為2和5 nm時,電離產(chǎn)生的電子較窄,不能將源漏導(dǎo)通,所以其漏電流在1.04 ns時就恢復(fù)到重離子入射前狀態(tài).結(jié)合不同柵長器件源漏導(dǎo)通現(xiàn)象,得到在垂直柵極入射時,當(dāng)入射離子束特征寬度大于入射器件柵長的1/3時,源漏就會出現(xiàn)導(dǎo)通.因為重離子離子束在3倍的特征寬度范圍內(nèi)可以電離出導(dǎo)通器件源漏的高濃度電子.

4.2.3 重離子入射位置

圖13為重離子垂直入射柵長30 nm器件漏、柵極時漏電流脈沖波形.當(dāng)重離子在柵極入射時會產(chǎn)生較大的拖尾平臺區(qū)電流,而在漏極入射時,漏電流在1.05 ns時基本恢復(fù)到入射前狀態(tài).該結(jié)果和上述理論相符,重離子入射柵極,源漏導(dǎo)通導(dǎo)致漏電流脈沖平臺區(qū);而重離子入射漏極時,在漏極中心電離產(chǎn)生高濃度電子空穴對,沒有覆蓋到源極,不能將源漏導(dǎo)通,所以漏電流會很快降低.因此對于同一器件,入射位置靠近柵極中心,器件更容易發(fā)生源漏導(dǎo)通.

圖13 當(dāng)重離子從柵極和漏極入射時,FinFET 器件的漏電流脈沖Fig.13.Drain current transient for a FinFET when heavy ion incident at drain and gate.

5 結(jié) 論

利用激光微束實驗和三維TCAD仿真研究柵長30—100 nm體硅FinFET器件單粒子瞬態(tài).激光實驗結(jié)果顯示,柵長100 nm以下FinFET器件漏電流脈沖在尾部存在明顯的平臺區(qū),這在大尺寸器件中不存在.且隨著柵長變短,平臺區(qū)電流值增大,平臺區(qū)持續(xù)時間在 10 ns左右;柵長 100,60,40和30 nm器件平臺區(qū)收集電荷量分別為脈沖總收集電荷的 34%,40%,51%和65%,隨著柵長變短,平臺區(qū)收集電荷對總收集電荷的貢獻(xiàn)增大,成為單粒子瞬態(tài)中對器件工作狀態(tài)和性能的影響最大的部分.三維TCAD仿真揭示了100 nm以下FinFET器件漏電流脈沖尾部平臺區(qū)產(chǎn)生的物理機(jī)理為源漏導(dǎo)通.器件柵長變短,離子束特征寬度接近器件柵長時會在器件溝道和溝道下方體區(qū)產(chǎn)生高濃度電子空穴對,襯底對空穴的收集速度大于源漏對電子的收集速度,重離子入射結(jié)束,在器件體區(qū)留下高濃度電子將源漏導(dǎo)通,產(chǎn)生源漏導(dǎo)通電流.源漏導(dǎo)通使器件體區(qū)電勢升高,抑制了體區(qū)高濃度電子擴(kuò)散,形成漏電流脈沖平臺區(qū).研究結(jié)論指出,對于 100 nm 以下體硅 FinFET 器件,單粒子瞬態(tài)中的平臺區(qū)電流會嚴(yán)重影響器件工作狀態(tài)和性能,這是FinFET器件單粒子效應(yīng)中需要重點關(guān)注的問題,也是將FinFET器件應(yīng)用到航天器上需要克服的難題.而平臺區(qū)電流產(chǎn)生機(jī)理為體硅FinFET工藝下器件和電路的抗輻射加固設(shè)計提供了理論指導(dǎo),具有重要意義.