[發明專利]一種多柵鰭式場效應晶體管電離總劑量效應的仿真分析方法

在審

• 申請號: 202111409788.8
• 申請日: 2021-11-25
• 公開（公告）號: CN114169194A
• 公開（公告）日: 2022-03-11
• 發明（設計）人: 魏瑩;崔江維;鄭齊文;崔旭;郭旗;余學峰
• 申請（專利權）人: 中國科學院新疆理化技術研究所
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F111/10
• 代理公司: 烏魯木齊中科新興專利事務所(普通合伙) 65106
• 代理人: 張莉

本發明涉及一種多柵鰭式場效應晶體管電離總劑量效應的仿真方法，該方法利用TCAD仿真軟件，依據器件實際的工藝和結構特性，建立三維仿真結構；通過調用基本物理模型，計算器件基本工作特性；將基本特性仿真結果與試驗結果對比，修正仿真中的工藝參數和物理模型中的經驗參數，使仿真結果最大程度與試驗結果擬合；再增加電離總劑量輻射效應模型，并設置模型和材料參數，計算器件的總劑量輻射損傷特性；將器件輻射損傷特性仿真結果與試驗結果對比，修正輻射效應模型參數和氧化層材料參數，使仿真結果最大程度與輻照試驗結果擬合，獲得器件電離總劑量輻照后基本電學特性和物理參數。本發明可準確揭示多柵鰭式場效應晶體管總劑量效應的損傷機制。

技術領域

本發明涉及一種多柵鰭式場效應晶體管電離總劑量效應的仿真方法，屬于集成電路抗輻射技術領域。

背景技術

隨著集成電路工作速度和集成度的不斷提高，器件尺寸不斷縮小。具有三維溝道結構的鰭式場效應晶體管(FinFET)在尺寸減小的同時，很好的抑制了短溝效應，降低了泄漏電流，成為納米集成電路的主流技術。這些優勢也使得鰭式場效應晶體管(FinFET)在衛星等航天領域中具有潛在的應用前景。然而，工作在衛星等航天器中的電子器件會受到空間輻射效應影響，導致其特性退化甚至功能失效，影響衛星的在軌壽命。為了保障衛星的正常運行，必須對星用電子器件開展輻射效應研究。

對于鰭式場效應晶體管(FinFET)，電離總劑量輻射效應是影響其特性的主要因素之一，導致器件的氧化層中產生輻射誘導缺陷，包括氧化物陷阱電荷和界面態，改變氧化層與半導體材料界面處的電場分布，使器件閾值改變、甚至形成寄生漏電溝道。由于鰭式場效應晶體管 (FinFET)尺寸減小，并引入了三維分布的柵氧層，同時存在淺槽隔離氧化層(STI)結構，導致總劑量效應對器件的影響機制更加復雜。僅依靠輻照試驗和宏觀電學特性測試不能直接對器件中的輻射誘導缺陷分布、電場變化以及電流密度分布等特性進行分析，因此無法準確的確定器件輻射損傷機理。

半導體工藝及器件計算機輔助設計(TCAD)仿真工具是建立在半導體物理理論的基礎上，通過有限元計算基本物理方程，獲得器件載流子濃度、電勢分布等微觀電學參數，以及器件端口的電流、電壓等宏觀電學參數。因此利用計算機輔助設計(TCAD)仿真分析器件的輻射損傷特性，可以彌補試驗中的不足，為器件損傷機理揭示和抗輻射加固設計提供直接的依據。目前，國際上也利用TCAD仿真工具開展不同器件、不同輻射效應的分析研究，評估器件的輻射敏感性。

計算機輔助設計(TCAD)仿真的基本物理方程包括泊松方程和載流子連續性方程，如方程 (1)-(3)所示。其中，泊松方程是描述電勢與電荷分布的關系，連續性方程分別描述電子和空穴密度隨時間的變化。

方程中電流密度由載流子的輸運模型描述，G_n、G_p由載流子產生率模型描述，R_n、R_p由載流子復合率模型描述，q為帶點粒子數量的合，包含電子和空穴，以及電離的缺陷和俘獲載流子等。當選定了載流子輸運模型，如漂移-擴散模型時，還需要調用其中的遷移率模型；考慮到器件工作過程中發生的電離、隧穿、光注入等效應，還需要調用對應的電離、產生模型。

由于總劑量效應的作用過程涉及產生、輸運、俘獲、電離等多種物理過程，目前還未建立成熟的方仿真方法。本發明正是基于TCAD仿真的基本方法，通過對多柵鰭式場效應晶體管總劑量效應的分析，調用適合的物理模型，并采用與試驗對比的方法，校準仿真模型中的參數，建立多柵鰭式場效應晶體管總劑量效應的仿真方法。

發明內容