SOI FinFET单粒子辐照机理及SRAM单粒子翻转研究

摘要

随着集成电路工艺的发展，传统平面CMOS器件随着尺寸的缩小，短沟道效应、源漏电荷共享和亚阈值特性衰退等等对器件的电学特性影响越来越严重。当器件尺寸缩减到20nm以下，SOI FinFET器件结构成为未来替代传统平面器件的最佳选择。与传统工艺相比，SOI FinFET具有低功耗、集成度高、栅控能力强、性能稳定等优点， SOI衬底更是有效减小了器件的敏感体积，在抗辐照加固方面具有更好的研究前景。
　　本研究主要内容包括：⑴使用Sentaurus TCAD工具对28nm SOI FinFET器件进行三维建模，仿真其在单粒子辐照作用下的电学特性变化趋势。分别研究漏电压，重离子入射深度， LET值，重离子入射位置以及重离子入射方向对SOI FinFET器件单粒子瞬态的影响。并通过对碰撞电离率、SRH复合率、双极放大增益以及沟道电势的变化解释造成单粒子瞬态的机理。仿真结果表明，单粒子辐射导致大量的电子-空穴对注入并积累，造成沟道电势升高，使寄生双极晶体管导通；但是当注入载流子浓度过大时，会造成沟道-漏P-N结电场塌陷，源漏区发生穿通，导致寄生双极晶体管工作在饱和区，双极放大增益消失，碰撞电离减小。因此，漏端瞬态电流和收集电荷才会随着漏区偏压增大、重离子入射深度增加、LET值增大而不断增大。并且通过仿真发现，SOI FinFET对单粒子辐照的敏感区域为沟道-漏P-N结处，随着入射位置靠近沟道-漏P-N结漏端瞬态电流和收集电荷明显增大。最后，还发现重离子垂直器件入射比水平入射对器件电学特性影响更大。⑵通过改变SOI FinFET器件尺寸参数，研究尺寸的缩小对单粒子辐照敏感程度的变化趋势，并提出抗单粒子的加固方法。研究结果为：随着Fin宽度和高度的缩小，由于辐照敏感区域的减小以及积累电荷量的减小，同时栅对沟道的控制能力加强，导致漏端瞬态电流和收集电荷都会减小；相反，随着栅长的缩小，SOI FinFET器件对单粒子效应会变得更加敏感，漏端瞬态电流和收集电荷都会增大。SOI FinFET器件对单粒子辐照的敏感程度依赖于栅对于沟道的控制能力和沟道-漏P-N结的截面积。因此减小Fin宽、Fin高，增大栅长可以有效改善SOI FinFET器件的抗单粒子辐照能力。⑶将仿真所用的SOI FinFET模型搭建成SRAM单元电路，进行单粒子辐照的混合电路级仿真，讨论不同LET值和不同入射位置对SRAM单元翻转特性的影响，分析得到：对于SOI FinFET SRAM单元来说，是否发生单粒子翻转(SEU)取决于两个参数是否超过翻转临界值：一是重离子入射后产生的瞬态电流的峰值，二是节点的收集电荷量。对比计算出不同入射位置的临界翻转电荷和LET阈值，当单粒子入射到关态N型SOI FinFET的沟道-漏P-N结时，SRAM单元更容易发生单粒子翻转(SEU)。

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缩略语对照表

第一章 绪论

1.1 FinFET器件

1.2单粒子效应(SEE)

1.3国内外研究现状

1.4本文的主要研究工作

第二章 SOI FinFET器件建模

2.1SOI FinFET器件模型建立

2.2仿真所用物理模型

2.3小结

第三章 SOI FinFET器件单粒子辐照仿真

3.1漏端电压对单粒子效应的影响

3.2不同LET值对单粒子效应的影响

3.3不同入射位置对单粒子效应的影响

3.4不同入射方向对单粒子效应的影响

3.5小结

第四章 SOI FinFET器件尺寸对单粒子效应影响

4.1Fin薄膜的厚度

4.2不同Fin高对单粒子效应的影响

4.3栅长对单粒子效应的影响

4.4小结

第五章 SOI FinFET SRAM单元的单粒子翻转研究

5.2P-FinFET建模

5.3SRAM单元电路的搭建

5.4SRAM单元的单粒子辐照仿真分析

5.5金属栅功函数对SRAM可靠性的影响

5.6小结

第六章 结论与展望

6.2研究展望

参考文献

致谢

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