劉凡宇 劉衡竹 劉必慰 梁 斌 陳建軍
(國防科技大學(xué)計算機學(xué)院微電子與微處理器研究所,長沙 410073)(2010年4月15日收到;2010年7月24日收到修改稿)
90 nm CMOS工藝下p+深阱摻雜濃度對電荷共享的影響*
劉凡宇 劉衡竹 劉必慰 梁 斌 陳建軍
(國防科技大學(xué)計算機學(xué)院微電子與微處理器研究所,長沙 410073)(2010年4月15日收到;2010年7月24日收到修改稿)
基于3維TCAD器件模擬,研究了90 nm CMOS雙阱工藝下p+深阱摻雜對電荷共享的影響.研究結(jié)果表明:改變p+深阱的摻雜濃度對PMOS管之間的電荷共享的影響要遠大于NMOS管;通過增加p+深阱的摻雜濃度可以有效抑制PMOS管之間的電荷共享.這一結(jié)論可用于指導(dǎo)電荷共享的加固.
電荷共享,單粒子效應(yīng),p+深阱摻雜,雙極晶體管效應(yīng)
PACS:61.80.Jh,61.72.U - ,85.30.De,87.64.Aa
當輻射環(huán)境中的高能粒子轟擊半導(dǎo)體器件靈敏區(qū)時將會引起單粒子效應(yīng)(single event effect,SEE)[1,2]. 長期以來,國內(nèi)外學(xué)者對單粒子效應(yīng)進行了大量深入研究[3—7]:Levinson等結(jié)合模擬和實驗,發(fā)現(xiàn)質(zhì)子誘導(dǎo)的單粒子閂鎖(single event latchup,SEL)與 單 粒 子 翻 轉(zhuǎn) (single event upset,SEU)的機理有很大不同;Schrimpf等通過準確描述大量單個粒子反應(yīng)的方法準確預(yù)測了單粒子效應(yīng)的軟錯誤率;劉征等[7]采用 TCAD模擬發(fā)現(xiàn)深亞微米下雙極晶體管效應(yīng)在單管單粒子瞬變(single event transient,SET)電流脈沖中占主要成分.這些研究對抗輻照加固有重要的指導(dǎo)意義.
隨著工藝尺寸的不斷縮小,單粒子引起的電荷共享問題變得越來越嚴重,已經(jīng)成為了國際上備受關(guān)注的可靠性問題[8].電荷共享 (charge sharing)是指單粒子轟擊產(chǎn)生的電荷同時被多個敏感節(jié)點收集.電荷共享能導(dǎo)致系統(tǒng)的軟錯誤率增加,加大抗輻照加固的難度[9].文獻[10]研究了雙阱工藝下器件距離、粒子的LET以及晶體管類型對電荷共享的影響,并用激光第一次實現(xiàn)了電荷共享實驗.文獻[11]通過3維 TCAD模擬發(fā)現(xiàn)130nm CMOS雙阱工藝下溫度的升高會導(dǎo)致電荷共享加重,進而導(dǎo)致 SRAM單元MBU閾值降低.文獻[12]通過數(shù)值模擬得出,深亞微米下電荷共享的機理主要包括漂移、擴散和雙極晶體管效應(yīng).
p+深阱摻雜濃度對電荷共享的影響目前還沒有相關(guān)研究.有研究證實,重摻雜的p+深阱可以提高SRAM 單元的 SEU翻轉(zhuǎn)閾值[13].通常,p+深阱對器件的I-V特性影響不大,卻能有效減少襯底對阱電勢影響[14].而阱電勢又是影響漂移、擴散和雙極晶體管效應(yīng)最重要的因素.因此,通過研究不同p+深阱摻雜濃度下的電荷共享的變化趨勢,有助于我們通過改變p+深阱摻雜濃度達到抑制電荷共享的目的.
本文基于90 nm CMOS雙阱工藝,在不同的p+深阱摻雜濃度下進行了 TCAD 3維器件模擬,分別研究了p+深阱摻雜濃度對 PMOS管之間以及對NMOS管之間電荷共享的影響,發(fā)現(xiàn) p+深阱摻雜濃度對電荷共享的影響主要是增大或減小襯底電荷收集,進而增強或減弱雙極晶體管效應(yīng).這對于電荷共享的建模和加固具有重要的指導(dǎo)作用.
模擬中使用了兩種電路結(jié)構(gòu):1)兩個輸入為“0”反相器:兩NMOS漏端相鄰并采用3維器件模型,而兩PMOS管采用電路模型,如圖1所示,2)兩個輸入“1”反相器:兩 PMOS漏端相鄰并采用3維器件模型,而兩NMOS管采用電路模型.這兩種電路結(jié)構(gòu)都廣泛地存在于各種電路設(shè)計中.器件模型的p阱雜質(zhì)為硼,而 n阱雜質(zhì)為砷.通過調(diào)整漏輕摻雜(LDD)濃度、閾值電壓(VT)注入和源漏摻雜的濃度等工藝參數(shù),對NMOS和PMOS器件模型進行了工藝校準.該模型獲得了與90nm CMOS雙阱工藝相一致的電流電壓特性曲線(Ids-Vds),如圖2所示.
圖1 電荷共享模擬使用的NMOS管器件結(jié)構(gòu)
模擬中,我們采用 Synopsys公司的 Sentaurus TCAD構(gòu)建了3維器件模型.NMOS管和PMOS管的尺寸分別為:Wn∶Ln=200 nm∶90 nm 和 Wp∶Lp=480 nm∶90 nm.管子間距為 140 nm,阱接觸距NMOS和PMOS的距離為280nm,使用STI隔離兩個晶體管.工作電壓設(shè)置為1.2 V.
重離子轟擊的 LET值為10 MeV·cm2/mg,并在軌跡上保持不變.粒子軌跡的深度和半徑分別為5 μm 和 0.05 μm. 這與 SRIM(stopping and ranges of ions in matter)軟件得到的Cl離子入射硅的輻射參數(shù)相當.假定粒子轟擊的位置為漏極的中心,且垂直轟擊器件結(jié)構(gòu)的表面.
圖2 90 nm CMOS工藝校準獲得的ID-VD曲線 (a)NMOS;(b)PMOS
使用的物理模型包括:1)Fermi-Dirac統(tǒng)計;2)禁帶變窄模型;3)摻雜相關(guān)的SRH復(fù)合和Auger復(fù)合;4)摻雜、電場和載流子濃度對遷移率的影響;5)轟擊的重離子是采用 Gaussian分布建模,且Gaussian時序分布有0.25 ps的延遲;6)流體動力學(xué)模型用來模擬載流子輸運.如果沒有其他特別指定,其他的模型和參數(shù)為Sentaurus TCAD默認.
在混合模擬中,使用的 SPICE集約模型是BSIM3V3.晶體管的尺寸與器件模型一樣.其他重要的尺寸(如源區(qū)/漏區(qū)面積,p阱接觸面積,p阱接觸與主器件的距離等)是由版圖規(guī)則設(shè)定.
下面的討論中,我們將使用文獻[12]中定義的概念.直接被粒子轟擊的器件稱為主器件,而發(fā)生電荷共享的器件稱為從器件.將校準的p+深阱摻雜濃度作為基準,然后改變摻雜濃度的峰值,進行模擬并比較結(jié)果.表1給出了模擬中使用的最大和最小p+深阱摻雜濃度峰值.
所有的模擬都是在16核心128G內(nèi)存的高性能服務(wù)器上運行的.整個器件模擬的面積為10 μm ×10 μm ×5 μm,且器件模型包含 100,000—150,000個網(wǎng)格點.8個線程的器件模擬的平均時間大約為1天.
表1 電荷共享模擬中使用的p+深阱濃度值
對NMOS而言,圖3顯示了在不同p+深阱摻雜濃度下主NMOS的漏端電流.圖4顯示了不同p+深阱摻雜濃度下從NMOS的漏端和源端電流.
p+深阱摻雜濃度從 5×1017cm-3增大到5×1018cm-3,主NMOS電荷的收集變化很小,如圖3所示.比較圖3和圖4(a),p+深阱摻雜濃度的變化對從NMOS漏端電荷收集的影響要略大于主NMOS.
圖3 不同p+深阱摻雜濃度下主NMOS漏端電流(Active Drain,即主器件漏極;Passive Drain,即從器件漏極;Active Source,即主器件源極;Passive Source即從器件源極)
對PMOS而言,圖5顯示了不同p+深阱摻雜濃度下主PMOS的漏端電流.不同p+深阱摻雜濃度下從PMOS的漏端和源端電流則如圖6所示.
圖4 不同p+深阱摻雜濃度下從NMOS漏端和源端電流 (a)漏端;(b)源端
圖5 不同p+深阱摻雜濃度下主PMOS漏端電流
根據(jù)圖3和圖5,p+深阱的摻雜濃度對主PMOS漏端電流的影響較主NMOS大.對主PMOS漏結(jié)而言,隨著p+深阱的摻雜濃度的增加,電流脈沖持續(xù)時間減少,如果采用國際上通用的半高寬(電流峰值的一半)作為電流脈沖寬度,則當p+深阱摻雜濃度從5×1017cm-3增大到5×1018cm-3時,電流脈沖寬度從0.22 ns減小到0.14 ns,約降低36%;對從 PMOS漏結(jié)而言,漏端和源端的電流峰值和持續(xù)時間都降低,故漏端收集的電荷和源端注入n阱的電荷也降低.當 p+深阱摻雜濃度從5×1017cm-3增大到5×1018cm-3時,漏端收集的電荷從11.1 fC減少到3.62fC,約降低67%;源端注入n阱的電荷從14.8 fC減少到3.76 fC,約降低74.6%.總之,p+深阱摻雜濃度的變化對PMOS電荷共享的影響要遠大于NMOS.
圖6 不同p+深阱摻雜濃度下從PMOS漏端和源端電流 (a)漏端;(b)源端
影響電荷共享的機理主要有兩個:一是漂移擴散;二是雙極晶體管效應(yīng).區(qū)分摻雜對這兩種機理的影響是重要的.前人的研究證實[12],NMOS的電荷共享機理主要是擴散,而PMOS則主要是雙極晶體管效應(yīng).從電離軌跡到從器件漏極附近的電荷擴散幾乎不受p+深阱摻雜的影響;但襯底的電荷收集顯著地受到p+深阱濃度的影響,進而影響阱電勢擾動,從而對雙極晶體管效應(yīng)產(chǎn)生影響.下面我們將從理論上探討p+深阱對電荷共享的影響.
雜質(zhì)濃度對電荷產(chǎn)生的影響主要是禁帶變窄.雜質(zhì)濃度與禁帶變窄的關(guān)系為[15]
其中,Eref和 Nref是材料參數(shù),Oldslotboom模型默認為 9.0 ×10-3eV 和 1.0 ×1017cm-3,Ntot是摻雜濃度.每產(chǎn)生一對電子空穴需要能量ε為[16]
故p+深阱摻雜濃度從5×1017cm-3增大到5×1018cm-3,ε從3.51 eV減小到3.35 eV,約降低4.6%.p+深阱摻雜的改變對電荷產(chǎn)生的影響可以忽略.
圖7 PMOS和NMOS的垂直剖面圖 (a)PMOS管的n+-p-p+-p-結(jié)構(gòu);(b)NMOS管的 p+-n-p+-p-結(jié)構(gòu)
對于PMOS,P漏、n阱、p+深阱和襯底構(gòu)成 p+-N-p+-p-結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)由兩個pn結(jié)和一個濃度結(jié)構(gòu)成,如圖7(a)所示.重離子轟擊前,P漏電勢為低電平,n阱接高電平,襯底接地.根據(jù)文獻 [17,18],重離子轟擊主PMOS后將在其軌跡上發(fā)生漏斗收集過程,這個過程與電勢分布有關(guān):電離的電子將向高電勢漂移,空穴將向低電勢漂移.因此,n阱將收集電子,而襯底和 P漏將收集空穴.又根據(jù)文獻[17,19],襯底濃度越高,其與阱形成的結(jié)耗盡區(qū)寬度越窄,電荷收集也越少.對于 p+-n-p+-p-結(jié)構(gòu),增大p+深阱濃度,相當于增大襯底濃度.因為 n阱摻雜濃度為1×1017cm-3,p+深阱 -n阱結(jié)為 pn結(jié),所以當 p+深阱濃度從 5×1017cm-3增大到 5×1018cm-3,n阱 -p+深阱結(jié)耗盡區(qū)明顯變窄,因而漏斗收集過程中襯底對空穴的收集變少,n阱對電子收集變少,即襯底對電子收集增多[17].圖8顯示了重離子轟擊50ps后垂直從PMOS漏極中心方向的電子和空穴的濃度.隨著 p+深阱濃度增大,n阱內(nèi)電子濃度降低.圖9顯示了不同 p+深阱摻雜濃度下NMOS和PMOS的襯底收集的電子空穴量.對PMOS而言,當 p+深阱摻雜濃度從5×1017cm-3增大到5×1018cm-3時,襯底收集的電子從158 fC增加到211 fC,約增加33.5%,而空穴從475 fC減小到390 fC,約降低17.9%.因此,對 PMOS而言,隨著 p+深阱摻雜濃度的增加,襯底收集的電子增多,空穴變少.
圖8 重離子轟擊50 ps后,三種 p+深阱摻雜濃度下,垂直從PMOS漏極中心方向的電子和空穴濃度 (a)電子;(b)空穴
隨著p+深阱濃度增加,襯底收集空穴變少、n阱內(nèi)電子濃度降低,n阱的電勢擾動將變?。?9],雙極晶體管效應(yīng)也就變?nèi)趿?,如圖10所示.下面我們將討論p+深阱摻雜濃度對PMOS雙極晶體管效應(yīng)的影響是主要的.雙極晶體管效應(yīng),指重離子的轟擊引起阱電勢的擾動,導(dǎo)致開啟寄生雙極型晶體管,從而使源區(qū)向阱區(qū)注入少數(shù)載流子(對 NMOS而言注入的是電子,對PMOS而言是空穴),增大漏極電荷的收集.為了分析p+深阱摻雜對雙極晶體管效應(yīng)的影響,在原模擬電路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,去掉從器件的源注入和柵極,這樣從器件就變成一個二極管.目前國際上很多學(xué)者都采用無源端器件來研究電荷收集中的雙極晶體管效應(yīng)[7,10—12]. 無源端器件與有源端器件相比,沒有橫向寄生晶體管,因此去除了雙極晶體管效應(yīng).
圖9 NMOS和PMOS襯底收集的電子和空穴隨p+深阱摻雜濃度的變化 (a)電子;(b)空穴
圖10 重離子轟擊50 ps后,不同 p+深阱摻雜濃度(5×1017cm-3,1×1018cm-3和 2×1018cm-3)下垂直從 PMOS的源極中心方向的電勢
圖11 不同 p+深阱摻雜濃度(5×1017cm-3,1×1018cm-3和2×1018cm-3)下無源端的從NMOS和從PMOS的漏端電流
圖11(b)顯示了無源端的從PMOS在三種p+深阱摻雜濃度下的漏端電流.比較圖6和圖11(b),隨著 p+深阱濃度的變化,從 PMOS在有源端的情況下比無源端的情況下電流的變化要大得多.根據(jù)前面的分析,我們知道,無源端器件與有源端器件最大的區(qū)別是:有源端器件存在雙極型晶體管效應(yīng).這就證實了 p+深阱摻雜濃度主要通過影響PMOS的雙極晶體管效應(yīng)來影響其電荷共享.n阱電勢擾動降低,雙極晶體管效應(yīng)變小,故漏端電荷收集減少,而無源端的從PMOS由于去除了雙極晶體管效應(yīng),因而從PMOS漏端電荷收集隨p+深阱濃度變化不明顯,如圖12.
總之,增大p+深阱濃度,襯底收集電子增多、空穴減少,而n阱內(nèi)電子濃度降低,從而導(dǎo)致n阱電勢擾動減小,雙極晶體管效應(yīng)減弱,而PMOS電荷共享的主要機理是雙極晶體管效應(yīng),所以從PMOS漏端收集電荷減少.
圖12 在有源端和無源端情況下NMOS和PMOS漏端收集電荷隨p+深阱濃度的變化
對于NMOS,N漏、p阱、p+深阱和襯底構(gòu)成 n+-p-p+-p-結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)由一個pn結(jié)和兩個濃度結(jié)構(gòu)成,如圖7(b)所示.重離子轟擊前,N漏電勢為高電平,p阱和襯底接地.因此,大量電子將被N漏收集,而空穴大部分將被p阱接觸收集,少部分被襯底收集[17]. 同樣根據(jù)文獻[17,18],由于襯底摻雜濃度為 1×1016cm-3,p阱摻雜濃度為 1 ×1018cm-3,所以當 p+深阱濃度從 5×1017cm-3增大到 5×1018cm-3,兩個濃度結(jié)的耗盡區(qū)變化很小;又根據(jù)文獻[19],p+深阱濃度對 NMOS 的 n+-p-p+-p-結(jié)構(gòu)的電場擾動很小,因此p+深阱濃度變化對襯底電荷收集影響不大,如圖9所示.對NMOS而言,當p+深阱摻雜濃度從 5×1017cm-3增大到 5×1018cm-3時,襯底收集的電子從 410 fC減少到 397 fC,約降低3.2%,而空穴從 324 fC減少到 315 fC,約降低2.8%.因此,p+深阱濃度對 NMOS襯底電子空穴的收集的影響基本可以忽略.
圖13 重離子轟擊50 ps后,不同p+深阱摻雜濃度下垂直從NMOS的源極中心方向的電勢
隨著p+深阱濃度的增加,NMOS襯底對電子空穴的收集影響不大,p阱內(nèi)電子和空穴的濃度變化也不大,p阱電勢擾動也不大[19].圖13給出了三種p+深阱摻雜濃度下垂直從PMOS的源極中心方向的電勢.下面我們說明p+深阱摻雜濃度對從轟擊軌跡上擴散到被從NMOS漏端收集的電荷沒有影響.圖11(a)顯示了無源端的從NMOS在三種p+深阱摻雜濃度下的漏端電流.比較圖4和圖11(a),在有源端和無源端兩種情況下,從NMOS電荷收集變化不大.又由圖12知,有源端和無源端的從 NMOS漏端電荷收集隨著p+深阱摻雜濃度的增加變化都不大.且NMOS電荷共享的主要機制是擴散,因此p+深阱摻雜濃度對電荷擴散影響不大,進而對NMOS電荷共享影響也不大.綜上所述,p+深阱摻雜濃度改變基本不會改變NMOS襯底的電荷收集,因而對p阱電勢擾動也很小,加之p+深阱摻雜對電荷擴散沒有影響,所以p+深阱摻雜濃度對NMOS的電荷共享影響很小.
本文研究了90nm CMOS雙阱工藝下p+深阱摻雜濃度對電荷共享的影響.通過TCAD 3維模擬,發(fā)現(xiàn)p+深阱的摻雜對PMOS電荷共享的影響比NMOS大得多,這是因為p+深阱摻雜會影響襯底電荷收集,進而影響雙極晶體管效應(yīng).更大的p+深阱摻雜濃度將會有更大的襯底電子收集、更小的空穴收集,從而導(dǎo)致更弱的雙極晶體管效應(yīng).因此,為了抑制PMOS的電荷共享,我們可以適當增大p+深阱摻雜濃度.
目前電荷共享的加固主要通過版圖技術(shù)來實現(xiàn),如添加保護環(huán),增大阱接觸等,這些技術(shù)都增加了面積和功耗[18].調(diào)整 p+深阱摻雜不僅解決了這一難題,同時又不使工藝變得復(fù)雜.3維數(shù)值模擬可以分析p+深阱摻雜對電荷共享的影響機理,還可以利用該結(jié)論指導(dǎo)電荷共享的加固,為宇航級集成電路的設(shè)計和制造提供理論支持.
[1] J derstr m H,Murin Y,Babain Y,Chubarov M,Pljuschev V,Zubkov M,Nomokonov P,Olsson N,Blomgren J,Tippawan U,Westerberg L,Golubev P,Jakobsson B,Gerén L,Tegnér P E,Zartova I, BudzanowskiA, Czech B, Skwirczynska I,Kondratiev V,Tang H H K,Aichelin J,Watanabe Y,Gudima K K 2008 Phys.Rev.C 77 2813
[2] Dodd P E,Massengill L W 2003 IEEE Trans.Nucl.Sci.50 583
[3] Levinson J,Akkerman A,Victoria M,Hass M,Ilberg D,Alurralde M,Henneck R,Lifshitz Y 1993 Appl.Phys.Lett.63 2952
[4] Cellere G,Paccagnella A,Visconti A,Bonanomi M 2004 Appl.Phys.Lett.85 485
[5] Schrimpf R D,Weller R A, Marcus H M, ReedR A,Massengill L W 2007 Nucl.Instr.and Meth.B 261 1133
[6] Zhang K Y,Guo H X,Luo Y H,He B P,Yao Z B,Zhang F Q,Wang Y M 2009 Acta Phys.Sin.58 8651(in Chinese)[張科營、郭紅霞、羅尹虹、何寶平、姚志斌、張鳳祁、王園明 2009物理學(xué)報 58 8651]
[7] Liu Z,Chen S M,Liang B,Liu B W,Zhao Z Y 2010 Acta Phys.Sin.59 649(in Chinese)[劉 征、陳書明、梁 斌、劉必慰、趙振宇2010物理學(xué)報 59 649]
[8] Olson B D,Ball D R,Warren K M,Massengill L W,Haddad N F,Doyle S E,McMorrow D 2005 IEEE Trans.Nucl.Sci.52 2132
[9] Massengill L W,Amusan O A,Dasgupta S,Sternberg A L,Black J D,Witulski A F,Bhuva B L,Alles M L 2007 InternationalConference on Integrated Circuit Design and Technology 213—216
[10] Amusan O A,Casey M C,Bhuva B L,McMorrow D,Gadlage M J,Melinger J S,Massengill L W 2009 IEEE Trans.Nucl.Sci.56 3065
[11] Liu B W,Chen S M,Liang B,Liu Z,Zhao Z Y 2009 IEEE Trans.Nucl.Sci.56 2473
[12] Amusan O A,Witulski A F,Massengill L W,Bhuva B L,F(xiàn)leming P R,Alles M L,Sternberg A L,Black J D,Schrimpf R D 2006 IEEE Trans.Nucl.Sci.53 3253
[13] Saxena P K,Bhat N 2003 Solid State Electronics 47 661
[14] Hsu S,F(xiàn)iez T S,Mayaram K 2005 IEEE Trans.Elec.Dev 52 1880
[15] Synopsys Corporation 2009 Sentaurus Device User Guide Version A-2009.06-SP2.
[16] Emery F E,Rabson T A 1965 Phys.Rev.140 2089
[17] Dussault H,Howard J W,Block R C,Pinto M R,Stapor W J,Knudson A R 1993 IEEE Trans.Nucl.Sci.40 1926
[18] Dodd P E,Sexton F W,Winokur P S 1994 IEEE Trans.Nucl.Sci.41 2005
[19] Hsieh C M,Murley P C,O’Brien R R 1981 IEEE Elec.Dev.Lett.EDL-2 103
[20] Amusan O A,Massengill L W,Baze M P,Bhuva B L,Witulski A F,Black J D,Balasubramanian A,Casey M C,Black D A,Ahlbin J R,Reed R A,McCurdy M W 2009 IEEE Transaction on Device and Materials Reliabilty 9 311
PACS:61.80.Jh,61.72.U - ,85.30.De,87.64.Aa
Effect of doping concentration in p+deep well on charge sharing in 90nm CMOS technology*
Liu Fan-Yu Liu Heng-Zhu Liu Bi-Wei Liang Bin Chen Jian-Jun
(Computer School,National University of Defense Technology,Changsha 410073,China)(Received 15 April 2010;revised manuscript received 24 July 2010)
This paper deals with the effect of doping concentration in p+deep well on charge sharing in 90nm dual well CMOS technology.TCAD simulation results show doping concentration in p+deep well has a more significant effect on charge sharing in PMOS tube than in NMOS tube.By increasing doping concentration of p+deep well appropriately,the charge sharing in PMOS can be restrained effectively,which is useful for reinforcing the charge sharing.
charge sharing,SEE,p+deep well doping concentration,bipolar amplification effect
*國家自然科學(xué)基金重點項目(批準號:60836004),國家自然科學(xué)基金(批準號:61006070)資助的課題.
E-mail:liufanyu986412@hotmail.com
*Project supported by the Key Program of National Natural Science Foundation of China(Grant No.60836004),the National Natural Science Foundation,China(Grant No.61006070).
E-mail:liufanyu986412@hotmail.com