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基于TCAD [16]构建14 nm 绝缘体上硅(Silicon-On-Insulator, SOI) FinFET器件的SET仿真模型 [6, 11]。采用高k栅介质(HfO2)和金属栅(TiN)结构,并对Si材料器件的电学性能进行试验校准[20],结果如图1所示。在此模型基础上,设置4H-SiC材料参数[11],如表1所列。器件其他参数[6, 11]为:栅长14 nm,fin高18 nm,fin宽10 nm,等效氧化层厚度0.5 nm,S/D长度35 nm,S/D扩展区长度33 nm,沟道均匀掺杂浓度5×1015 cm−3,源/漏高斯掺杂浓度1×1021 cm−3,源/漏扩展区高斯掺杂浓度8×1019 cm−3,衬底均匀掺杂浓度1×1015 cm−3。使用的物理模型包括:与掺杂浓度和高k栅介质相关的迁移率退化模型、飞利浦标准化迁移率模型、高电场饱和模型、能带隙和电子亲和性模型、BQP(Bohm Quantum Potential)模型、SRH(Shockley-Read-Hall)和Auger重组模型、费米统计模型及重离子辐射模型等 [6, 11]。
表 1 4H-SiC材料参数设置[11]
仿真参数 数值 仿真参数 数值 禁带宽度 3.2 eV 相对电介质常数 9.7 电子迁移率(300 K) 900 cm2/(V·s) 饱和电子迁移率 2×107 cm/s -
高能粒子在4 ps时延后,垂直射入器件源栅中间的fin敏感区,如图1(a)所示,粒子的特征半径为10 nm、特征时间为0.5 ps,线性电荷淀积(Linear Charge Deposit, LCD)为0.05 pC/μm,环境温度为300 K,偏压为0.8 V,仿真运行时间1 ns。
设置不同的偏压,得到4H-SiC FinFET器件的瞬态电流,如图2(a)所示。由图可见,随着偏压的增加,SET电流呈增加趋势,且双峰现象更加显著,这与SiC MOSFET在激光脉冲辐照时出现的多敏感位置[14]的结论一致,说明本文构建的SiC FinFET器件模型是可行的。下面来探讨瞬态电流出现多峰现象的原因。根据"漏斗"模型理论,高能粒子入射半导体材料时,在粒子入射路径附件产生大量的电子-空穴对,在漂移-扩散的作用下,形成瞬态电流。对于4H-SiC材料,瞬态电流的第一个峰值是由电子-空穴对在漂移的作用下形成的,在扩散的过程中,由于4H-SiC器件内部存在较强电场,快速收集电荷形成了第二个峰值[11]。当偏压较低(0.4 V)时,器件内部电场较弱,不足以快速收集电荷形成峰值;而当偏压升高时,较强的电场可快速收集电荷产生第二个峰值。图2(b)显示了不同偏压时收集电荷随入射时间的关系,可见,偏压越高,电荷收集率越大。
在TCAD中,通过设置受主陷阱特征温度系数来分析温度对SiC材料的影响,此系数取值为0.385。设置环境温度变化范围258~398 K,偏压0.8 V,得到不同温度下的瞬态脉冲电流及收集电荷如图3所示。与MOSFET不同,FinFET存在反温度效应,器件的驱动电流随着温度的升高而增加;器件的驱动电流越大,对累积电荷的消耗扩散越快[21],导致高能粒子入射产生的电子-空穴对数量减少,形成的SET减弱。所以,温度的升高,使FinFET器件的驱动电流增加,形成的SET减弱,从而提高器件的抗SET免疫性。因此,温度从258 K增加到398 K时,所产生的SET呈减弱趋势,且它们的电荷收集率基本接近,高温下的电荷收集率较低,故没有形成第二个峰值。
设置不同温度、不同偏压时,得到的器件的SET瞬态电流,结果如图4所示,其中,收集电荷Qc、脉冲宽度WSET及双极放大系数β分别定义[22-23]如下:
$$ {Q_{\text{c}}} = \int_0^\infty {{I_{\text{D}}}(t){\text{d}}t} \text{,} $$ (1) $$ {W_{{\text{SET}}}} = \frac{{ \displaystyle \int_0^\infty {t{I_{\text{D}}}(t){\text{d}}t} }}{{{Q_{\text{c}}}}} \text{,} $$ (2) $$ \beta = \frac{{{Q_{\text{c}}}}}{{{Q_{\text{d}}}}} \text{,} $$ (3) 其中:ID(t) 是器件漏极得到的瞬态电流;Qd 是高能粒子入射器件过程中的累积电荷量。
由图4可见,随着偏压的增加,器件内部电场增强,器件对高能粒子电离产生的电子空穴对的收集能力增强,收集电荷的速率提高,导致产生较强的SET瞬态电流,这意味着偏压的增加会导致器件对SET的敏感性增强。对于温度300 K时,当偏压从0.4 V增加到1 V时,SET的峰值电流、脉冲宽度、收集电荷及双极放大系数分别相对增加32.39%, 4.15%, 87.26%和87.26%。由于偏压或温度对累积电荷量的影响几乎很小,因此,双极放大系数仅与收集电荷呈正相关。然而,随着温度的增加,由于费米能级的变化和带隙的减小,导致器件的阈值电压降低,进而使得器件的驱动电流增大,提高了器件对SET的免疫性,诱发了较弱的脉冲电流。因此,在增加温度和偏压的过程中,存在着电场增强引起快速收集电荷与驱动电流增大引起的抑制电荷收集的相互竞争现象。当温度较低(小于300 K)时,由偏压形成的电场占主导作用;当温度较高(大于300 K)时,由高温引起的驱动电流增加起主要作用。与温度300 K、偏压0.8 V的SET相比,峰值电流和收集电荷量在258 K, 0.4 V;258 K, 1.0 V;398 K, 0.4 V;398 K, 1.0 V时,相对变化分别是:−21.71%, −38.48%;7.43%, 5.08%;−22.77%, −50.83%;2.32%, −0.78%。可见,温度越高、偏压越小,产生的SET越弱;而温度越低、偏压越大,产生的SET越强。因此,针对空间辐射环境应用,可根据工作环境温度和所需器件电学性能的需求,在高温环境使偏压尽可能低或在偏压一定时调整工作温度,从而提高器件的抗辐射加固能力。
Investigation of Temperature and Bias Voltage Dependence of Single Event Transient in 4H-SiC FinFET
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摘要: 基于TCAD构建了14 nm SOI 4H-SiC FinFET器件的单粒子瞬态(SET)仿真模型。设置环境温度范围258~398 K,分析了不同偏压对器件的SET的影响,并探讨了其作用机理。结果表明,温度的升高,改变了器件的费米能级,减小了带隙,增大了驱动电流,增强了器件的抗SET免疫性;偏压的增大,增加了内部电场,提高了电荷收集率,增加了器件的SET敏感性。由于温度和偏压对SET影响的竞争关系,使得器件在温度398 K、偏压0.4 V时,所产生的SET最弱,与温度300 K、偏压0.8 V的SET相比,其峰值电流和收集电荷分别相对减小22.77%、50.83%。Abstract: By TCAD, the model for single event transient(SET) in SOI 4H-SiC FinFET device at 14 nm technology node was simulated. With the temperature range from 258 to 398 K, the influence of the bias voltages on SET was analyzed and the potential mechanism was also discussed. The simulation results indicate that due to the temperature increase, the Femi energy of the device changes and the band gap reduces, which increases the driven current. Then it leads to improve the immunity to SET. However, because of the bias voltage increase, the inner electrical field in the device enhances, resulting in the rate of the charge collected increase, which increases the sensitivity to SET. Due to the competitive relationship between the impacts of the temperature and the bias voltage on SET, when the temperature is 398 K and the bias voltage is 0.4 V, the weakest SET is obtained. Compared with SET obtained at 300 K and 0.8 V, the weakest one is with the relative decrements of the current peak and the collected charge being 22.77%, 50.83%, respectively.
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Key words:
- single event transient /
- FinFET /
- temperature /
- bias voltage /
- 4H-SiC
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表 1 4H-SiC材料参数设置[11]
仿真参数 数值 仿真参数 数值 禁带宽度 3.2 eV 相对电介质常数 9.7 电子迁移率(300 K) 900 cm2/(V·s) 饱和电子迁移率 2×107 cm/s -
[1] 陈伟, 杨海亮, 郭晓强, 等. 科学通报, 2017, 62(10): 978. doi: 10.1360/N972016-00438 CHEN Wei, YANG Hailiang, GUO Xiaoqiang, et al. Chin Sci Bull, 2017, 62(10): 978. (in Chinese) doi: 10.1360/N972016-00438 [2] NILAMANI S, RAMAKRISHNAN V N. J Comput Electron, 2017, 16(1): 74. doi: 10.1007/s10825-016-0950-y [3] LIU B J, CAI L. IEEE Trans Nucl Sci, 2022, 64(12): 2933. doi: 10.1109/TNS.2017.2772267 [4] LIU B J, CAI L. Microprocess Microsy, 2022, 90: 104518. doi: 10.1016/j.micpro.2022.104518 [5] Semiconductor Industry Association. International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) 2013 Edition[EB/OL]. [2022-12-22] http://www.itrs.net/Links/2013ITRS/Home2013.htm. [6] 刘保军, 张爽, 李闯. 固体电子学研究与进展, 2022, 42(2): 93. doi: 10.19623/j.cnki.rpsse.2022.02.008 LIU Baojun, ZHANG Shuang, LI Chuang. Research & Progress of SSE, 2022, 42(2): 93. (in Chinese) doi: 10.19623/j.cnki.rpsse.2022.02.008 [7] 刘忠永, 蔡理, 刘保军, 等. 电力电子技术, 2017, 51(9): 64. LIU Zhongyong, CAI Li, LIU Baojun, et al. Power Electronics, 2017, 51(9): 64. (in Chinese) [8] 刘忠永, 蔡理, 刘小强, 等. 微纳电子技术, 2017, 54(2): 80. LIU Zhongyong, CAI Li, LIU Xiaoqiang, et al. Micronanoelectronic Technology, 2017, 54(2): 80. (in Chinese) [9] 张鸿, 郭红霞, 潘霄宇, 等. 物理学报, 2021, 70(16): 162401. doi: 10.7498/aps.70.20210503 ZHANG Hong, GUO Hongxia, PAN Xiaoyu, et al. Acta Phys Sin, 2021, 70(16): 162401. (in Chinese) doi: 10.7498/aps.70.20210503 [10] LU J, LIU J, TIAN X, et al. IEEE Trans Electron Dev, 2020, 67(9): 3698. doi: 10.1109/TED.2020.3008398 [11] 刘保军, 杨晓阔, 陈名华. 电子与封装, 2022, 22(11): 110401. doi: 10.16257/j.cnki.1681-1070.2022.1108 LIU Baojun, YANG Xiaokuo, CHEN Minghua. Electronics & Packaging, 2022, 22(11): 110401. (in Chinese) doi: 10.16257/j.cnki.1681-1070.2022.1108 [12] 尚也淳. SiC材料和器件特性及其辐照效应的研究[D]. 西安: 西安电子科技大学, 2001: 64. SHANG Yechun. Study on the Characteristics and Radiation Response of SiC Material and Devices[D]. Xi’An: Xidian University, 2001: 64. (in Chinese) [13] 于庆奎, 曹爽, 张洪伟, 等. 原子能科学技术, 2019, 53(10): 2114. doi: 10.7538/yzk.2019.53.10.2114 YU Qingkui, CAO Shuang, ZHANG Hongwei, et al. Atomic Energy Science and Technology, 2019, 53(10): 2114. (in Chinese) doi: 10.7538/yzk.2019.53.10.2114 [14] 上官士鹏. 新材料器件单粒子效应脉冲激光模拟试验研究[D]. 北京: 中国科学院大学, 2020: 83. SHANGGUAN Shipeng. Experimental Research of Single Event Effects on New Semiconductor by Pulsed Laser[D]. Beijing: University of Chinese Academy of Science, 2020: 83. (in Chinese) [15] ARTOLA L, HUBERT G. IEEE Trans Nucl Sci, 2014, 61(4): 1611. doi: 10.1109/TNS.2014.2301877 [16] Silvaco Inc. Atlas User’s Manual[EB/OL]. [2022-12-22]. www. silvaco. com. [17] SOOTKANEUNGA W, HOWIMANPORN S, CHOOKAEW S. Microelectron Reliab, 2018, 87: 259. doi: 10.1016/j.microrel.2018.07.032 [18] 张晋新, 贺朝会, 郭红霞, 等. 物理学报, 2014, 63(24): 248503. doi: 10.7498/aps.63.248503 ZHANG Jinxin, HE Chaohui, GUO Hongxia, et al. Acta Phys Sin, 2014, 63(24): 248503. (in Chinese) doi: 10.7498/aps.63.248503 [19] MANN R W, ZHAO M, KWON O S, et al. IEEE Trans VLSI Syst, 2020, 28(5): 1341. doi: 10.1109/TVLSI.2020.2974202 [20] LIN C H, GREENE B, NARASIMHA S, et al. 2014 IEEE International Electron Devices Meeting, 2014: 74. doi: 10.1109/IEDM.2014.7046977 [21] KHAN H R, MAMALUY D, VASILESKA D. IEEE Trans Electron Dev, 2008, 55(8): 2134. doi: 10.1109/TED.2008.925937 [22] LIU B J, LI C, LI CH, et al. Int J Circ Theor App, 2021, 49(10): 3408. doi: 10.1002/cta.3089 [23] LIU B J, LI C, ZHOU P, et al. Nucl Instr and Meth B, 2022, 530: 13. doi: 10.1016/j.nimb.2022.09.008