脉冲γ 射线诱发N 型金属氧化物场效应晶体管纵向寄生效应开启机制分析*

李俊霖 李瑞宾 丁李利 陈伟 刘岩

1) (西北核技术研究所，强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室，西安 710024)

金属氧化物场效应晶体管作为大规模数字电路的基本单元，其内部的寄生效应一直以来被认为是影响集成电路在脉冲γ 射线辐射环境中发生扰动、翻转以及闩锁的重要因素.为研究脉冲γ 射线诱发N 型金属氧化物场效应晶体管内部纵向寄生效应的开启机制，通过TCAD 构建了40，90 以及180 nm 3 种不同工艺节点的NMOS 晶体管进行瞬时电离辐射效应仿真，得到了纵向寄生三极管电流增益随工艺节点的变化趋势、纵向寄生三极管的开启条件及其对NMOS 晶体管工作状态的影响.结果表明:1)脉冲γ 射线在辐射瞬时诱发NMOS 晶体管内部阱电势抬升是导致纵向寄生三极管开启的主要原因;2)当纵向寄生三极管导通时，NMOS晶体管内部会产生强烈的二次光电流影响晶体管的工作状态;3) NMOS 晶体管内部纵向寄生三极管的电流增益随工艺节点的减小而减小.研究结果可为电子器件的瞬时电离辐射效应机理研究提供理论依据.

1 引言

随着半导体制造工艺的不断发展，高性能、高集成度的纳米器件在航天、国防等关键电子系统中的应用越来越广泛，当遭遇脉冲γ射线时，其工作可靠性会受到严重影响，因此纳米器件的瞬时电离辐射效应研究受到高度关注.高强度纳秒级脉冲γ射线作用于电子器件时会在其内部产生强瞬时光电流[1-6]导致器件输出扰动[7，8]、数据翻转[9-12]，甚至闩锁[13，14]及烧毁[8，15]，器件中金属氧化物场效应晶体管(metal oxide semiconductor field effect transistor，MOSFET)内部的寄生结构是瞬时光电流产生的基本敏感区域，研究寄生效应在脉冲γ射线辐射环境下的开启机制，可以为电子器件的失效模式诊断与瞬时电离辐射效应机理研究提供理论依据.

MOS 管作为集成电路的基本单元，其内部的寄生效应一直以来被认为是影响电子器件在瞬时电离辐射环境中正常工作的重要因素[6，9].国外对90 和130 nm PMOS 管开展的单粒子效应研究指出[16，17]，当重离子轰击PMOS 管漏极时会引起横向寄生双极放大效应影响PMOS 管的工作状态，但未讨论纵向寄生效应情况，在脉冲γ射线辐射环境下，纵向寄生效应开启也会对MOS 管的输出状态产生明显影响.国内对大规模集成电路的瞬时电离辐射效应实验结果分析认为[9，18]，MOS 管内部的寄生三极管开启是降低电子器件损伤阈值的主要因素，但未对寄生三极管的开启机制及其电流增益随特征尺寸的变化进行深入研究.

本文通过TCAD 构建不同工艺尺寸NMOS管器件模型，针对NMOS 管在大规模集成电路中的两种典型工作状态[19](NMOS 管截止:栅极、源极置低，漏极置高;NMOS 管导通:栅极置高，源极、漏极置低)开展了仿真研究，分析了典型工作状态下NMOS 管内部纵向寄生三极管的开启条件;得到了纵向寄生三极管开启与二次光电流的关系以及纵向寄生三极管电流增益随工艺尺寸的变化趋势.PMOS 管相比NMOS 管只是敏感区的掺杂类型不同，但其纵向寄生三极管的开启机制与NMOS 管相同，文中未对PMOS 管的情况进行讨论，但针对NMOS 管的研究方法与理论分析适用于PMOS 管.

2 NMOS 管寄生效应机理分析与模型构建

2.1 寄生效应机理分析

图1 为NMOS 管寄生效应示意图，NMOS 管内部共存在两个寄生三极管，横向的LT1 与纵向的VT2.由于源漏极与P 阱之间形成的寄生PN 结结面积与空间电荷区较小，而P 阱与N 型衬底之间形成的寄生PN 结结面积与空间电荷区较大，因此当脉冲γ射线入射时，对初次光电流起放大作用产生二次光电流、对电子器件输出造成影响的主要为VT2[20]，因此本文主要针对VT2 的开启机制及其影响进行仿真分析.NMOS 管的源漏极为VT2 的发射极，P 阱为基极，衬底为收集极.当源漏极与P 阱处于反偏状态时，VT2 发射结反偏，VT2 无法导通.脉冲γ射线入射后，P 阱中产生大量电子空穴对，由于N 型衬底与电源相连，一部分电子很快被衬底收集而空穴大部分留在P 阱中，导致P 阱电势的抬升.当P 阱电势抬升到一定程度时，源漏极与P 阱结正偏而衬底与P 阱结反偏时，VT2 的发射结正偏而集电结反偏，处于正向放大状态，大量电子通过正偏的发射结注入P 阱，导致源漏电势升高影响NMOS 管的工作状态.

图1 NMOS 管寄生效应示意图Fig.1.Parasitic effect schematic of NMOS.

2.2 TCAD 器件模型校准与仿真设置

本文构建的NMOS 管器件模型结构的结构参数与工艺参数由表1 给出，二维剖面图以及沟道处掺杂如图2 及图3 所示.在图3 给出的NMOS 沟道处各部分掺杂中，通过阈值掺杂(Vtimplant)调节晶体管的阈值电压，当掺杂浓度增大时，沟道处载流子浓度增加，沟道反型所需电压增大，阈值电压升高;通过漏电掺杂调整晶体管的漏电流，掺杂浓度越高，漏电流越小;通过晕掺杂调节晶体管Id–Vds特性曲线斜率，掺杂浓度越大曲线斜率越大，其本质是消除短沟道效应;源漏轻掺杂决定了器件的串联电阻，对于器件的最大驱动强度有重要影响.通过反复调节这些掺杂的浓度，并与器件的SPICE模型常态特性进行对比，对NMOS 管的TCAD 器件模型进行常态特性校准.TCAD 仿真过程中，使用了电子与空穴输运方程、电子与空穴漂移扩散模型、掺杂浓度对载流子迁移率影响模型、强电场下电子与空穴的速度饱和效应模型、禁带变窄模型、依赖掺杂浓度变化的肖克莱·霍尔·里德复合模型以及俄歇复合模型，针对40 nm 器件还添加了适用于小尺寸器件的流体动力学模型.

图2 NMOS 管二维剖面Fig.2.Two-dimensional profile of NMOS.

表1 不同尺寸NMOS 管结构参数与工艺参数Table 1.Structure and process parameters of NMOS with different feature size.

图3 NMOS 管沟道处掺杂Fig.3.Channel doping of NMOS.

利用SPICE 对3 种NMOS 管的转移特性曲线与输出特性曲线进行了仿真，其中转移特性曲线是通过固定源漏偏置扫描栅极电压得到漏极电流随栅极电压的变化;输出特性曲线是通过固定源极、栅极偏置扫描漏极电压得到漏极电流随栅极电压的变化.3 种尺寸NMOS 管的常态特性校准曲线如图4—图6 所示，在常态特性校准过程中参考了文献[21，22]，经过校准的三维器件模型常态电学特性Id-Vds曲线和Id-Vgs曲线与SPICE 模型保持一致.

图4 40 nm NMOS 管常态特性校准曲线 (a) 转移特性曲线;(b) 输出特性曲线Fig.4.Normal characteristic calibration curve of 40 nm NMOS:(a) Transfer characteristic curve;(b) output characteristic curve.

图5 90 nm NMOS 管常态特性校准曲线 (a)转移特性曲线;(b) 输出特性曲线Fig.5.Normal characteristic calibration curve of 90 nm NMOS:(a) Transfer characteristic curve;(b) output characteristic curve.

图6 180 nm NMOS 管常态特性校准曲线 (a) 转移特性曲线;(b) 输出特性曲线Fig.6.Normal characteristic calibration curve of 180 nm NMOS:(a) Transfer characteristic curve;(b) output characteristic curve.

3 脉冲γ 射线诱发纵向寄生三极管开启条件仿真分析

当脉冲γ射线入射时，纵向寄生三极管的BE(基极-发射极)结和B-C(基极-集电极)结均会产生瞬时光电流.对于纵向寄生三极管，B-C 结的电荷收集体积远大于B-E 结，导致B-C 结产生的瞬时光电流远大于B-E 结产生的瞬时光电流，因此通常只考虑B-C 结产生的初次光电流.当B-C 结产生的初次光电流入射至基极，基极电势会相应地抬升，当基极电势抬升使B-E 结正偏时，大量电子通过发射极入射至基极后被B-C 结收集，从而形成由集电极至发射极的二次光电流.二次光电流的表达式为Isp＝(1＋β)Ipp，式中β为寄生三极管的电流增益[6，23].二次光电流的产生会改变源或漏极的偏置电压，影响NMOS 管的工作状态.当阱偏置接地时，分别设置NMOS 管处于截止状态(栅极偏置0 V、源极偏置0 V、漏极偏置1.2 V)与导通状态(栅极偏置1.2 V、源极偏置0 V、漏极偏置0 V).设置脉冲γ射线参数为剂量率2×107Gy(Si)/s，脉冲宽度50 ns，脉冲持续时间为20—70 ns.在此条件下P 阱、衬底以及源漏产生的瞬时光电流如图7 与图8 所示.

图7 NMOS 管截止时内部瞬时光电流 (a) 源极、漏极瞬时光电流;(b) P 阱、衬底瞬时光电流Fig.7.Photocurrent of NMOS when channel is cut-off:(a) Photocurrent of source and drain;(b) photocurrent of P-well and substrate.

图8 NMOS 管导通时内部光电流 (a) 源极、漏极瞬时光电流;(b) P 阱、衬底瞬时光电流Fig.8.Photocurrent of NMOS when channel is turn-on:(a) Photocurrent of source and drain;(b) photocurrent of P-well and substrate.

阱偏置为0 V，脉冲γ射线剂量率为2×107Gy(Si)/s 条件下，源极与漏极产生纳安级瞬时光电流，衬底与P 阱产生微安级瞬时光电流.漏极、源极、衬底电流为正、P 阱电流为负，纵向寄生三极管没有导通，否则衬底产生的瞬时光电流会从漏或源极流出使其电流方向为负.NMOS 管内部在辐射瞬时以及辐射过后的电势分布如图9 所示，在脉冲γ射线入射期间，NMOS 管内部P 阱电势没有明显变化，稳定在0 V 附近，辐射瞬时产生的瞬时光电流从阱接触流入地.在脉冲γ射线剂量率为2×107Gy(Si)/s 时，NMOS 管内部产生的瞬时光电流较小，没有显著改变P 阱电势，纵向寄生的三极管未导通开启.当脉冲γ射线剂量率增大到1×1010Gy(Si)/s 时，NMOS 管内部在辐射瞬时以及辐射过后的电势分布如图10 所示(同样以NMOS 管导通时为准).

图9 脉冲γ 射线剂量率为2×107Gy(Si)/s 时NMOS 管电势分布随时间变化 (a) 20 ns;(b) 70 ns;(c) 120 ns;(d) 200 nsFig.9.Variation of NMOS potential distribution over time when dose rate of transient γ-ray is 2×107Gy(Si)/s:(a) 20 ns;(b) 70 ns;(c) 120 ns;(d) 200 ns.

图10 脉冲γ 射线剂量率为1×1010Gy(Si)/s 时NMOS 管电势分布随时间变化 (a) 20 ns;(b) 70 ns;(c) 120 ns;(d) 200 nsFig.10.Variation of NMOS potential distribution over time when dose rate of transient γ-ray is 1×1010Gy(Si)/s:(a) 20 ns;(b) 70 ns;(c) 120 ns;(d) 200 ns.

在1×1010Gy(Si)/s 剂量率条件下，脉冲γ射线入射瞬间在P 阱中产生更多的电子空穴对，电子迅速被衬底收集，而大量空穴来不及被阱接触收集而留在P 阱中导致P 阱电势明显抬升.在此条件下，NMOS 管分别处于截止与导通状态时衬底、P 阱与源漏极的瞬时光电流如图11 与图12 所示.

图11 NMOS 管截止时内部瞬时光电流Fig.11.Photocurrent of NMOS when channel is cut-off.

图12 NMOS 管导通时内部瞬时光电流Fig.12.Photocurrent of NMOS when channel is turn-on.

当NMOS 管处于截止状态时，漏极偏置为1.2 V，源极偏置为0 V.漏极-P 阱-衬底之间的纵向寄生三极管由于发射结反偏无法开启.但由于源极偏置为0 V，源极-P 阱-衬底之间的纵向寄生三极管因发射结正偏而开启，源极作为发射极向衬底发射大量电子，在源极产生约2.4 mA 的二次光电流，如图11 所示.当NMOS 管导通时，源极与漏极的偏置均为0 V，在辐射瞬时漏极/源极-P 阱-衬底之间的纵向寄生三极管均由于发射结正偏而开启，NMOS 管的源极与漏极同时作为发射极向衬底发射大量电子，在NMOS 管的源极与漏极都会产生很大的二次光电流，如图12 所示.根据以上仿真结果，在脉冲γ射线剂量率较小时，初次光电流引起的阱电势变化较微弱，不足以达到纵向寄生三极管的开启条件，此时对NMOS 管产生辐射损伤的主要为初次光电流;而当脉冲γ射线剂量率较高时，初次光电流引起的阱电势变化剧烈，纵向寄生三极管的开启会在发射极产生强烈的二次光电流.其中当NMOS 处于截止状态时，只有NMOS管的源极作为寄生三极管的发射极;而当NMOS管导通时，源漏极均成为寄生三极管的发射极产生强烈的二次光电流.

4 寄生效应随特征尺寸的变化趋势

为分析纵向寄生效应随特征尺寸的变化趋势，根据所构建的3 种尺寸NMOS 管，仿真了NMOS管纵向寄生三极管的共发射极电流增益.如图13所示，所有NMOS 管内部的纵向寄生三极管的电流增益都表现出开始随P 阱电压的升高而增大，当P 阱电压增大到一定程度时又随P 阱电压的增大而减小，这是由于发生了大注入效应，导致发射极注入效率降低[24]，如图14 所示.

图13 纵向寄生三极管电流增益Fig.13.Gain of the vertial NPN triode vs voltage of pwell.

图14 共发射极电流增益随集电极电流变化趋势Fig.14.Tendency of current gain of the common emitter to the current of collector.

随着NMOS 管特征尺寸的减小，纵向寄生三极管共发射极电流增益逐渐减小.这主要是由于一方面阱的掺杂浓度不断升高，导致纵向寄生三极管基区掺杂浓度升高，发射区向基区发射的载流子在基区的复合率增加;另一方面阱深及阱面积不断减小，导致集电结电荷收集体积的减小.两个因素综合影响导致纵向寄生三极管的电流增益降低.随着特征尺寸的减小，纵向寄生三极管的电流增益逐渐减小，这也是小尺寸电子器件对于脉冲γ射线引起的闩锁效应敏感性逐渐降低的一个因素[13].

5 结论

本文针对NMOS 管在大规模集成电路中的两种典型工作状态在脉冲γ射线辐射环境中纵向寄生效应的开启机制进行了仿真研究.当脉冲γ射线的剂量率较高时，P 阱产生的初次光电流强度较大，由于P 阱电阻的分压会导致P 阱电势的明显抬升从而使纵向寄生三极管开启.当NMOS 管处于截止状态时，由于漏极处于高电位，二次光电流只能通过源极流入地线使地电位抬升;当NMOS管导通时，由于源极与漏极均处于低电位，二次光电流会同时流向源极与漏极，一方面使地电位抬升，另一方面直接影响NMOS 管的输出状态.根据TCAD 仿真结果，纵向寄生三极管的电流增益随特征尺寸的减小而减小，这是小尺寸电子器件对脉冲γ射线引起闩锁效应敏感性越来越弱的重要因素.