PD SOI BTSNMOS器件的三維SEU仿真

徐 靜，陳正才，洪根深

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無(wú)錫 214035）

PD SOI BTSNMOS器件的三維SEU仿真

徐 靜，陳正才，洪根深

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無(wú)錫 214035）

采用silvaco軟件對(duì)抗輻射PD SOI BTSNMOS器件進(jìn)行了三維SEU仿真。器件建模采用devedit軟件，工藝參考標(biāo)準(zhǔn)0.8μm PD SOI工藝平臺(tái)。器件基于SIMOX SOI材料，其埋氧層厚度為375nm，頂層硅膜厚度為205nm。三維SEU仿真的入射粒子軌跡垂直于器件表面，主要選取了垂直于溝道方向（DS）和平行于溝道方向（PDS）。對(duì)比了不同入射粒子軌跡下器件關(guān)斷狀態(tài)下漏端電流隨粒子入射時(shí)間的變化，確定了器件的敏感區(qū)域在漏體PN結(jié)處，并且越遠(yuǎn)離體接觸的地方，對(duì)SEU效應(yīng)越敏感。

SOI；SEU；三維仿真

1 引言

SOI技術(shù)因?yàn)槠涔枘ず鸵r底之間由絕緣二氧化硅完全隔離，所以SOI器件相對(duì)于體硅器件收集單粒子產(chǎn)生的電子空穴對(duì)的體積減小，從而漏極收集電荷相對(duì)體硅明顯減小，因而SOI技術(shù)一直以來(lái)被用于集成電路的單粒子加固[1]。然而，由于PD SOI器件中固有的寄生雙極管的存在，可能會(huì)使得它在抗SEU方面的優(yōu)勢(shì)減小[2]。

單粒子實(shí)驗(yàn)由于其需要高速加能器的支持，實(shí)驗(yàn)的成本和難度都很大，因此，對(duì)器件進(jìn)行模擬仿真成為單粒子效應(yīng)的一個(gè)重要研究手段。3-D模擬由于能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)2-D模擬所不能實(shí)現(xiàn)的體接觸，因此能更全面的反映器件的單粒子效應(yīng)。

本文采用silvaco軟件對(duì)0.8μm SOI BTsNMOS器件進(jìn)行了SEU仿真，對(duì)其敏感區(qū)域進(jìn)行了分析。

2 仿真的模型建立

首先，應(yīng)用silvaco軟件里的devedit3d功能，建立了0.8μm SOI BTsNMOS器件結(jié)構(gòu)模型，這個(gè)模型的各項(xiàng)工藝參數(shù)是基于中電58所標(biāo)準(zhǔn)0.8μm SOI工藝平臺(tái)建立的。器件結(jié)構(gòu)采用BTs結(jié)構(gòu)，源和體短接在一起，W/L=4.8μm/0.8μm，柵氧厚度Tox=17.5nm，頂層硅膜厚度Tsi=160nm，埋氧厚度Box=375nm。建成的模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 SOI BTsNMOS器件結(jié)構(gòu)

器件模型建立后，采用Atlas進(jìn)行了器件模擬，模擬時(shí)器件的電壓偏置條件是柵上電壓VG接0V，漏上電壓接5V，源和襯底都接地，入射粒子方向垂直于器件表面[3,4]。在模擬中采用以下物理模型：SRH模型、AUGER模型、CVT模型、BGN模型。在模擬單粒子效應(yīng)時(shí)，采用silvaco的singleeventupset模塊，采用的是在單粒子入射路徑上任意一點(diǎn)產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)的數(shù)量density=1×1018，單粒子效應(yīng)產(chǎn)生的電子-空穴的時(shí)間分布為高斯分布：

分布特征值T0=2×10-12S，半徑特征尺寸radius為0.05。

3 結(jié)果與討論

本文主要從SOI器件漏極收集電流情況對(duì)SOI器件敏感區(qū)進(jìn)行了仿真分析。設(shè)P+體接觸的初始位置為x和z軸的0坐標(biāo)，沿溝道向漏的方向?yàn)閤的正方向，沿器件寬度w的方向?yàn)閦軸的正方向。如圖2所示，沿z軸為2μm的水平線(xiàn)和沿x軸為1.3μm的垂直線(xiàn)，以相同的條件分別進(jìn)行14組和10組單粒子模擬仿真，單粒子轟擊點(diǎn)如圖2中方框部分所示，方向垂直于器件表面，模擬結(jié)果和漏極電流總結(jié)如圖3、圖4所示。

圖2 單粒子轟擊點(diǎn)分布示意圖

圖3 沿z=2的水平線(xiàn)粒子入射各點(diǎn)漏極電流曲線(xiàn)

從圖3（a）可以看出，沿z=2μm方向，當(dāng)粒子入射點(diǎn)在器件源端時(shí)，x=0.7/0.8時(shí)，器件在漏極收集的電流峰值最大，此處也正好是NMOS器件源端的PN結(jié)處。在器件源區(qū)的PN結(jié)處，粒子轟擊產(chǎn)生的電子會(huì)在漏端強(qiáng)電場(chǎng)下迅速被漏極收集，因而產(chǎn)生了如圖3（a）所示的第一個(gè)峰；而空穴則在器件體區(qū)堆積，提高了體電位使寄生三極管開(kāi)啟。由于器件結(jié)構(gòu)是源體短接接地的，因此入射轟擊點(diǎn)在源區(qū)上時(shí)，粒子轟擊所產(chǎn)生的電子空穴對(duì)會(huì)馬上被復(fù)合，因而漏極收集到的電流很小。

從圖3（b）可以看出，沿z=2μm方向，當(dāng)粒子入射點(diǎn)在器件多晶柵區(qū)時(shí)，x=1.2/1.3時(shí)，器件在漏極收集的電流峰值最大，此處也正好是NMOS器件漏端的PN結(jié)處。在NMOS器件處于關(guān)斷狀態(tài)，由于漏上接5V電壓，漏端電場(chǎng)最強(qiáng)。當(dāng)粒子轟擊在多晶柵下的體區(qū)時(shí)，產(chǎn)生的電子由于受到漏端電場(chǎng)的作用，電子被迅速收集到漏結(jié)，而空穴則堆積到體區(qū)，提高了體電位。粒子轟擊點(diǎn)離漏區(qū)PN結(jié)越近，空穴越容易在體區(qū)堆積，而遠(yuǎn)離漏區(qū)PN結(jié)轟擊所產(chǎn)生的空穴要漂移一段才能達(dá)到體區(qū)，這個(gè)過(guò)程中空穴會(huì)在摻雜較濃的漏極復(fù)合掉一部分，這樣堆積在體區(qū)的空穴數(shù)量會(huì)減少，從而減少寄生三極管的放大作用[1]。

從圖3（c）可以看出，沿z=2μm方向，當(dāng)粒子入射點(diǎn)在器件漏區(qū)時(shí)，x=1.2/1.3時(shí)（即漏端PN結(jié)處），器件漏極的電流峰值最大，而在漏區(qū)N+摻雜區(qū)，由于粒子轟擊產(chǎn)生的電子空穴對(duì)很快被高濃摻雜的漏區(qū)復(fù)合掉，從而大大減少了寄生三極管的放大作用。因而越遠(yuǎn)離體區(qū)PN結(jié)的漏端轟擊點(diǎn)，漏端收集到的電流越小。

圖4所示為沿x=1.3的垂直線(xiàn)粒子入射各點(diǎn)漏極電流曲線(xiàn)。從圖中不難看出z=4.0/3.7時(shí)漏端收集的電流最大，這個(gè)區(qū)域是離體接觸最遠(yuǎn)的區(qū)域。因?yàn)?，離體接觸越近，堆積在體區(qū)的空穴更容易被體電極收集走，從而降低了寄生三極管的放大作用。

圖5 時(shí)器件的電勢(shì)圖

圖5（a）所示為粒子入射前器件的電勢(shì)分布圖，圖5（b）為粒子入射后4×10-12S時(shí)的電勢(shì)分布圖，從圖中可以看出。體區(qū)電勢(shì)在粒子入射后發(fā)生了變化，體電勢(shì)比入射前有所提高，這是因?yàn)槿肷淞Ｗ铀a(chǎn)生的空穴在體區(qū)堆積所致。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)58所標(biāo)準(zhǔn)0.8μm PD SOI BTSNMOS器件的三維SEU仿真，發(fā)現(xiàn)器件的SEU敏感區(qū)域在遠(yuǎn)離體接觸的漏體PN結(jié)處。由于PD SOI器件特有的中性體區(qū)，單粒子轟擊所產(chǎn)生的空穴會(huì)堆積在體區(qū)，嚴(yán)重時(shí)觸發(fā)寄生三極管，因而有效的體接觸可以降低器件對(duì)SEU的敏感性。

［1］趙發(fā)展，郭天雷，海潮和，等. SOI NMOSFET單粒子效應(yīng)的3-D模擬[J]. 核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2008，28（1）.

［2］楊毅，尹常永，吳春瑜.PD SOI SRAM單元的單粒子加固方法[J]. 核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2008，28（6）.

［3］P.Roche, J.M.Palau, K.Belhaddad, et al. SEU reponse of an entire SRAM cell simulated as one contiguous three dimensional device domain[J]. IEEE Trans.Nucl.Sci.,1998, 45∶ 2534-2544.

［4］P.Roche, J.M.Palau, C.Tavemier, et al. Determination on key parameters for SEU using full cell 3-D SRAM simulations[J]. IEEE Trans.Nucl.Sci, 1999,46∶1354-1362.

Study of the Single-event of PD SOI BTSNMOS by 3-D Simulation

XU Jing , CHEN Zheng-cai, HONG Gen-shen
（China Electronics Technology Group Corporation No.58Research Institute,Wuxi214035,China）

The SEU effect of PD SOI BTSNMOS device has been simulated by silvaco 3-D simulation software. The modeling of device is established by Deveidt3D, based on 0.8μm PD SOI process. Device is based upon SIMOX SOI, the top silicon thickness is 205nm, and the BOX thickness is 375nm. The tracks of particles are vertically crossing the surface of the device.Two directions have been selected：one direction is vertical to the channel（DS）, the other is parallel to the channel（PDS）. The sensitive area to sigle-event effect of the device is the reverse bias drain PN junction, which is far from the body contact.The farther is the drain PN junction from the body contact, the more effective is the SEU effect of the device.

SOI; SEU; 3-D simulation

TN702

A

1681-1070（2012）01-0028-03

2011-08-24

徐 靜（1980—） ，女，湖北宜昌人，碩士，主要從事SOI CMOS工藝技術(shù)開(kāi)發(fā)研究。