基于TCAD三维器件模型仿真的电荷共享效应研究

摘要

随着集成电路制造工艺的发展，器件特征尺寸不断减小，器件间距也随之减小。当辐射环境中的高能粒子轰击半导体器件灵敏区域时，会在其敏感节点收集电荷，进而引发单粒子翻转效应或单粒子瞬态脉冲效应。当特征尺寸进入纳米级尺度时，电荷共享效应将成为该领域重要的可靠性问题之一。电荷共享不仅能导致存储单元发生多位翻转，还会使组合逻辑中产生多个单粒子瞬态脉冲，使系统的软错误率增加，从而加大抗辐射设计的难度。目前国内对电荷共享效应的研究主要集中于分立的MOS管之间，且主要考虑90 nm以上的工艺，并没有考虑存储单元和更小特征尺寸时电荷共享效应的影响或作用。因此，有必要从这些方面对电荷共享效应进行具体的研究分析，将其对电路的影响进行有针对性的加固。
　　本文基于TCAD软件三维器件模型仿真，对40 nm CMOS工艺器件中的电荷共享效应做了深入的分析和研究，使用的SPICE模型为基于IBM40 nm CMOS工艺模型。本文完成的主要研究工作包括：
　　（1）40 nm工艺器件三维建模。通过查阅相关资料，建立了与IBM40 nm CMOS工艺SPICE模型校准的晶体管三维器件模型。
　　（2）不同因素对电荷共享效应的影响。研究了40 nm工艺中STI深度、粒子入射角度以及N型深阱的存在对电荷共享的影响。发现40 nm工艺中STI在500 nm时为抑制NMOS间电荷共享收集的有效深度；PMOS间电荷共享随STI增大呈线性下降；角度入射和N型深阱的引入会极大的增加NMOS间的电荷共享收集。
　　（3）40 nm工艺中，电荷共享效应对单粒子瞬态（SET）脉宽和SRAM单元单粒子翻转（SEU）的影响。发现电荷共享的增加会抑制SET脉宽，并且在角度入射和三阱工艺中，SRAM单元会在电荷共享较大时发生翻转恢复。设计了新的版图结构，该结构可以充分利用NMOS间电荷共享，将不同NMOS间距时的翻转恢复阈值降低20％以上。
　　（4）抑制电荷收集的方法研究。证明了90 nm工艺中常用的“保护漏”结构在40 nm工艺中的不适用性。提出了新的抑制电荷单点收集和共享收集的附加电极结构，该结构将单点电荷收集量降低15%以上，使 SRAM单元翻转阈值增大0.4 MeV·cm2/mg，并可以有效抑制NMOS间电荷共享和SRAMs发生MBU。

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缩写列表

第一章 绪论

1.1课题研究背景

1.2单粒子效应及其诱导的电荷共享效应

1.3本文主要工作

1.4本文组织结构

第二章 电荷共享效应物理建模

2.1 Sentaurus TCAD软件简介

2.2器件模拟原理

2.3三维器件模型的建立

2.4混合仿真模型的建立

2.5本章小结

第三章 不同因素对电荷共享的影响

3.1 STI深度对电荷共享的影响

3.2粒子入射角度对NMOS间电荷共享影响

3.3 N型深阱对NMOS间电荷共享影响

3.4本章小结

第四章 40 nm 工艺NMOS电荷共享对SET/SEU的影响

4.1 40 nm工艺中电荷共享对SET脉宽的影响

4.2电荷共享对SRAM单元SEU的影响

4.3利用电荷共享对SRAM单元SEU加固方法研究

4.4本章小结

第五章 40 nm工艺中抑制NMOS电荷收集方法研究

5.1“保护漏”结构对电荷收集的影响

5.2新型结构对NMOS电荷收集的抑制

5.3“漏区墙”结构对NMOS间电荷共享的抑制作用

5.4“漏区墙”结构对SRAM SEU和MBU影响研究

5.5本章小节

第六章 总结与展望

6.1研究结论

6.2研究展望

附录

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果