研究
,数量:10 (12)DOI: 10.37532/23206756.2022.10 .312 (12)3 d电离总剂量辐照的可变性和NBTI效应在纳米线Gat-All-Around
收到日期:20 - 2022年11月,手稿。tspa - 22 - 77938;编辑分配:22日- 2022年11月——PreQC没有。tspa - 22 - 77938 (PQ);综述:2022年- 11月27日,QC。tspa - 22 - 77938 (Q);修改后:5 - 12月- 2022年手稿。tspa - 22 - 77938 (R);发表:8 - 12月- 2022 DOI。10.37532 / 2320 - 6756.2022.10 .312 (12)
引用:Bekaddour a 3 d电离总剂量辐照的可变性和NBTI效应在纳米线Gat-All-Around.2022; 10 (12): 312。
文摘
微电子设备的辐射效应的研究是至关重要的空间,航电,和地面应用人工和自然影响辐射环境中,可靠性是最重要的一个要求。电离总剂量(TID)降解机制在一些现代纳米技术节点,本文我们研究工作。TID机制的分析重点是可衡量的影响的评价影响阈值电压的设备和显微镜辐射诱导的本质缺陷的识别。周围几个晶体管,基于门(棉酚)MOSFET纳米线结构不同的制造商,一直在电离辐射下模拟几个温度、偏压配置,退火条件,晶体管尺寸。几个不同的技术,如NBTI静态描述,电荷泵低频率噪声模拟技术以及计算机辅助设计模拟,是用来确定位置,密度和能源水平的辐射诱导的缺陷。TID机制研究的技术进化设备节点:20 nm Si-based MOSFET,二氧化硅/ HfO2闸极介电层。所有结果证实高TID宽容薄栅氧化层的纳米技术,由于减少电荷捕获在闸极介电层。
关键字
降解机制;晶体管;介质
介绍
电子电路是用在一些应用领域,不同程度的辐射可能需要宽容。辐射的量半导体设备遇到生命周期期间强烈依赖于辐射环境(1,2]。典型的应用程序在积极的辐射环境空间和航空电子系统,高能源物理实验、核电站、医疗诊断成像和治疗、工业成像和材料加工(3,4]。在这些环境中操作时,固态设备可能直接被光子,电子,质子,中子或重粒子,诱导电反应的改变,可能导致暂时或永久故障的电子系统5,6]。
这项工作的重点是在现代的TID机制半导体场效应晶体管(fet),即场效应管。TID效应之间的库仑相互作用引起的设备材料和电离粒子,产生费用,可以收集和被困在一些敏感设备的一部分。这些费用通常在绝缘材料,并导致晶体管电参数变化响应(7]。
基本的降解机制是研究感兴趣的和必要的,以确保电子设备的可靠性(8]。广泛知识的TID机制允许开发辐照的电路和设计技术提高电子电路工作的公差在某些特定的应用程序,限制失败和成本(9,10]。
为了充分解释仿真结果,从而能够预测装置反应在各种辐射环境中,第2部分介绍了艺术的知识TID机制。在方法和结果离散引起的阈值电压变化陷阱电荷分布在短沟道Si-NW场效应晶体管进行了物理模型和分析和结果部分。辐射诱导效果相关分析了栅氧化层的生成、运输、和捕获的辐射诱导电荷的氧化物和氧化物/半导体界面。新讨论最近的调查结果突显TID退化现象的重要性与电荷捕获的浅槽绝缘和隔离电介质。
TID在MOSFET器件的基本机制
TID是一个累积效应基于事件之间的库仑相互作用粒子/光子和电子材料的晶格(11]。金属氧化物半导体设备与电离辐射辐照时,电子空穴对生成在电介质(情况)。电子摆脱最初的重组通常被氧化的皮秒下的偏见。在SiO洞(正电荷)2有效的流动性低于电子和他们被困在绝缘子材料(12]。被指控在氧化物可以改变设备的电气性能,降低其性能。TID效应的分析在这里关注TID机制与栅氧化层,但它通常可以扩展到其他介质层中使用半导体设备(13]。
设备与电离辐射照射在门口正电压终端。栅氧化层的TID降解遵循以下阶段:
•电离绝缘子的一代的超高频双。
•部分重组情况对。
•跳跃运输洞通过局部状态。
•深孔捕获和边界陷阱。
•质子(氢离子)释放和界面陷阱的形成。
SiO的收缩2门层厚度接近1海里,TID效应相关的栅氧化层越来越少的问题对数字和模拟电子设备应用程序。一般来说,对于厚度> 10 nm, flatband单位剂量随电压变化趋势与t成正比2牛。厚度小于10纳米,减少空穴捕获是t比预期的更快速2牛的依赖中可见厚氧化层电容。这突然减少空穴捕获有关隧道电子,而中和被困洞位于~ 3纳米金属/氧化物或氧化/半导体接口(10]。
类似于氧化指控,突然减少interface-trap密度是可见的在超薄氧化物< 10纳米。隧道电子从金属/氧化物或氧化/半导体界面氧化中和被困洞,避免释放H +负责界面陷阱积聚。这种偏见的依赖是在协议与H +的生成和释放,这正偏压下SiO飘向大门2/ Si接口,在那里他们可以depassivate Si-H债券和生成界面陷阱(5,8]。
减少相关的TID影响栅氧化层有很强的利益MOSFET器件的辐射响应现代技术节点。然而,TID影响变得不那么可预测随着high-k门材料和替代半导体用现代的材料和结构半导体行业。事实上,栅氧化层不是独特的绝缘体层在现代场效电晶体(7]。
辐射诱导降解相关的浅槽隔离(STI)是由正电荷积累STI氧化物,如所示图1所示。正电荷的STI可以显著影响辐射硬度纳米级晶体管通过两个主要的降解效果:增加辐射诱导待机电流和狭窄水道晶体管阈值电压变化,也称为辐射诱导狭窄效果(王子)。
图1:晶体管的示意图表示与STI和箭头表示使用STI技术的三种可能的泄漏路径节点。第一个漏电路径是在底部和顶部的边缘gate-oxide-high-κ晶体管之间的源和下水道。第二个漏电路径是在左边和右边的边缘gate-oxide-high-κ晶体管之间的源和下水道。第三个漏电路径发生在n型源和nMOSFET和水土流失区域相邻niMOSFET n阱。
待机电流增加的原因有泄漏路径由STI的辐射诱导正电荷积累。所有STI-induced渗漏现象的基本机制是相同的。正电荷在STI氧化物颠倒邻p型硅区域,形成一个倒在STI侧壁层。表面颠倒,进行路径生成,显著增加了泄漏电流。
这些泄漏路径将导致增加静态集成电路的电源电流和辐射。辐射诱导电荷积聚的STI氧化物主要是积极的,其效果通常是最重要的对于n沟道晶体管。
物理模型
数值模拟是由自我一贯地解决三维薛定谔和泊松方程的连贯运输政权存在的固定电荷中心被困在二氧化硅/ high-κ电介质界面。
为了减少数值耦合模式空间负担(CMS)的方法是使用在NEGF形式主义(9]。根据CMS方法离散电子相关函数读取:
在哪里
是特征函数的标准正交集合解决二维薛定谔的问题吗th的设备,
mode-space计数器是真实空间的格林函数和纽约(新西兰)表示离散节点的数量在y方向(z)监禁。获得解决方案在横向平面假设与消失波函数边界条件密切gateoxide接口。格林函数在模式空间中得到的解决方案的两个动力学方程
在哪里
小于和弱智自身能量描述理想的无限等位联系人,LD乐动体育官网
是mode-space哈密顿,我是单位矩阵,对每一个吗能源E,然后评估真实空间通过积分电子密度:
在gvs分别山谷和旋转退化系数。
泊松方程
解决3 d域使用box-integration方法,在ε(r)是位置相关的介电常数,ρ(r)是总电荷密度会计对电子和固定支出,和ϕ(r)是有条理的静电势。
分析和结果
在这个模拟;应用源漏电压VGS= 400 mv, 450 mv和500 mv,温度T = 300 k。组成的一个20纳米掺杂沟道和10 nm SD区域名义上掺杂在1020厘米3。设备的横截面是5 x5 nm2、SiO2氧化和High-κ厚度是0.2 nm, 0.8 nm分别如图所示图1。第一次能带剖面特征,这些设备在一个陷阱电荷位于
接口和在不同的位置沿(x y z)体积左侧所示图2,清洁设备,把曲线绘制的参考。
图2:顶视图的晶体管沿着水平剖面立即在栅氧化层。的进化相关的TID机制显示,STI电荷积聚和光环的影响植入在狭窄的mosfet在线性地区偏见。TID-induced效应说明在高剂量长时间运行和短通道设备(~ 1 - 100 Mrad (SiO2))
制造商不提供任何的信息加工过程,如掺杂浓度和材料的生产20纳米晶体管。出于这个原因,模拟设备结构的基础上设计了公开信息和协议的模拟表征pre-rad设备。例如,high-k闸极介电层厚度估计n沟道栅电容的变容二极管。假设SiO的厚度2层约0.2海里,高频振荡器的厚度20.8纳米层的结果。
辐射诱导电荷捕获氧化、边界和界面陷阱。最有效的方式来突出每个陷阱类型的影响是模拟电子浓度响应在线性区域。的权利图2显示了典型的电子浓度曲线示意图n沟道mosfet。打击曲线表明辐照前的反应。与SiO硅场效应管2闸极介电层、辐射生成电子(负电荷)被困在栅氧化层。氧化的影响被困电荷是红色的曲线所示,这证据平行转移电子的浓度。界面陷阱对n沟道晶体管的反应有不同的影响,由于他们的两性性质。
界面陷阱电荷状态取决于应用偏差,可以陷阱或detrap电荷在界面通道是被门从积累到反转电压。在mid-gap界面陷阱是中性的,不影响电子浓度曲线。
mid-gap电压,界面状态影响电子浓度特征通过拉伸曲线在亚阈值区域。这是说明图2的打击和红色的曲线,显示nMOSFETs伸手向更积极的价值观。困的不同信号电荷引发大量nMOSFET的整体辐射响应的差异。而对于一个n沟道晶体管界面陷阱主要是负的,导致积极的阈值电压的变化。在nMOSFETs,负电荷被困在界面陷阱可以补偿部分或完全氧化的影响被困洞。负电荷的影响占主导地位时,反弹效应通常是可见的阈值电压。
界面和边界陷阱的关键区别在于之间的电荷交换的速度陷阱和衬底。边界陷阱能够捕获和释放电子速度缓慢的时候,通常≤100 Hz。相反,时间的界面陷阱通常≥1 kHz。陷阱与发射/捕获率低于V的总时间gs扫描能够贡献滞后和阈值电压变化,但不是亚阈值伸出。相反,边界陷阱与发射/捕获率高于V的总时间gs扫描能够增加亚阈值伸出。
辐射效应在暴露在底部的三维模拟图3显示了电子密度分布源下的轻掺杂下水道(LDD)扩展的nMOSFET在线性地区偏见。类似的结果在排水端可见。在图3显示的顶部截面电子密度分布niMOSFET这样中间的通道扩展下电荷逐渐的电子密度分布的影响。同样在视图曝光期间,我们展示了辐射效应,这样左边位置下电荷效应和三维电子密度分布源LDD nMOSFET偏见在线性区域的延伸。类似的结果在排水端可见。
图3:中间的3 d模拟电荷泵的20 nm nMOSFETs。(上)横向部分模拟是基于3 d结构,实现STI和光环的地区。(底部)在第三行,减少飞机在y = 0.6 nm显示了短期和长期的掺杂浓度场效电晶体通道。在第二行,切平面x = 20 nm显示了三角洲空间电荷密度,计算空间电荷密度的差异在短通道nMOSFETs pre-rad和辐照设备之间。
图4:相邻的3 d模拟电荷泵源的20 nm nMOSFETs。在第三行,减少飞机在y = 0.6 nm显示短沟道mosfet的掺杂浓度。在第二和第一行,切平面x = 20 nm显示了三角洲空间电荷密度,计算空间电荷密度的差异在短通道nMOSFETs pre-rad和辐照设备之间。
图5的变化阈值电压Vth绘制剂量狭窄的函数和长通道晶体管。晶体管在室温下是3 d模拟线性地区(Vds = 0.4 V)在几个125克拉(SiO辐照步骤2/ high-κ)和24小时后在室温下的退火。高灵敏度的静电放电(ESD)的核心晶体管结合众多业务需要进行高温退火测试有限退火模拟室温,而不是高温。nMOSFET显示积极Vth转变和通用退化,导致增加29%至125克拉的最大漏电流(SiO2/ high-κ)。适度检测到泄漏电流的变化的核心与增加Ioff nMOSFETs不到一个数量级。在室温退火,nMOSFET的反应几乎是不变的。
图5:辐射诱导阈值电压变化在室温下不同类型的nMOSFETs方向(x, y, z)线性政权(VDS = 0.40 V)辐照125克拉(SiO2/ high-κ)和(上)vg = 0.20 V(底部)vg = 0.60 V
氧化Thin-gate晶体管孤立STI展示另一个TID效应除了深STI通道泄漏。在初始TID暴露(20克拉),STI位于更高的指控,在STI角落附近。这意味着门能够施加一些控制寄生侧壁晶体管。这种效果,被称为子阈值峰效应,对比pre-rad和20克拉曲线所示图5。然而,随着TID增加这种效应是洗了STI深层渗漏。
已经表明,子阈值峰效应是高度依赖于场效电晶体结构。高压nMOSFET显示最糟糕的其次是I / O nMOSFET驼峰效果,最后跟着核心场效应电晶体。STI的氧化物厚度角落中扮演一个重要的角色在这个结果。图6显示了STI角落的横断面图三种不同nMOSFET的方向。和厚的高压设备允许更多的电荷被困,因此发音子阈值隆起的效果。亚阈值峰,如图所示图5-6-7,几乎似乎是一个设备的阈值电压的变化。稍后将讨论,高压设备厚厚的STI角落可能是一个理想的候选人提出的3 d技术。
图6:辐射诱导阈值电压变化在室温下不同类型的nMOSFETs方向(x, y, z)线性政权(VDS = 0.45 V)辐照125克拉(二氧化硅/ high-κ)和(上)vg = 0.20 V(底部)vg = 0.60 V
亚阈值漏电流前面描述的称为intra-device泄漏。周边设备之间Inter-device泄漏(泄漏)依赖于指控被困STI的底部。这些被困的负电荷可能反转n型硅直接在他们之间形成一个漏电路径设备。然而,回想一下,电场(即栅电压成比例放置在栅氧化层)中扮演了一个重要的角色在氧化物电荷俘获的易感性。随着电场的增加,electron-hole-pumping再组合的数量减少,由于电子和空穴在相反的方向拉。有一个非常低电场STI的底部;因此,电荷捕获(inter-device泄漏)已被证明是不一样重要intra-device泄漏。
图6显示了电流方向是垂直于轨道上。源极和漏极之间的横截面切。STI氧化物比栅氧化层厚很多,可以TID下陷阱负电荷。这些被困的费用可以反转活动区域对接STI和创建一个寄生侧壁晶体管导致泄漏电流流从源到下水道。
正如前面所讨论的那样,对mosfet TID有各种有害的影响,尤其是nMOSFETs。其中最重要的影响限制nMOSFET关闭的能力。如果逆变器已经暴露在大量的TID,当Vi(逆变器门)是一个逻辑低或零伏仍有泄漏电流通过nMOSFET, N1,即使N1的vg是零。这就增加了数字电路的静态功耗。
此外,进一步加大TID可能会导致逻辑门完全失败。图7显示了标准CMOS TID下逆变器及其传递函数。V输出,o,应该是一个逻辑‘高’或近VDD当输入是一个逻辑“低”。然而随着TID增加,场效应电晶体的断开的阻力减少通过消极的阈值电压转变thick-gate氧化物场效应电晶体或STI侧壁渗漏thin-gate氧化物场效应电晶体。最终,输出电压将下降到一个数字不确定的值和数字电路就会失败。
图7:辐射诱导阈值电压变化在室温下不同类型的nMOSFETs方向(x, y, z)线性政权(VDS = 0.50 V)辐照125克拉(SiO2/ high-κ)和(上)vg = 0.20 V(底部)vg = 0.60 V
的进化平均陷阱电荷密度Nt的第一个拖ΔVT概率分布的统计时刻终于绘制图8。平均值的行为(继续),标准偏差(虚线),在Nt的大值是由Poissonian分布界面陷阱电荷的数量。特别是,我们观察一个几乎意味着阈电压的线性增加的转变,增加了幂律的标准差与Nt。
图8:平均值、标准差阈值电压变化概率由于离散陷阱电荷陷阱密度Nt的函数接口。
支持大型vg的nMOSFETs电压必须有一个栅氧化层厚度足以防止电场击穿。对于年长的CMOS工艺和高压设备在更新的过程中,栅氧化层可能比5纳米厚支持大型vg电压。有些地区在城门口氧化物陷阱负电荷不可以高概率的隧道氧化,因为他们太远离界面。电离辐射的最显著的影响在这些“氧化thick-gate”mosfet的阈值电压变化。最重要的失效模式的场效电晶体在这种情况下从一个增强型NMOS的过渡设备耗尽型设备。
最后,泄漏电流是一个函数沿着STI边缘的垂直位置。所示FIG.5-6-7,泄漏电流变得糟糕的STI的进一步下降。这被认为是由于正门口偏见在辐照;正电压可以驱除困电子将进一步推入性病。因为增加的门之间的距离,被困的指控,它更难以控制晶体管通过大门。
结论
在超高剂量,TID响应20 nMOSFETs取决于通道宽度,通道长度和偏见的情况。最坏的变化观察nMOSFETs和niMOSFETs辐照高栅电压,由于电荷的增加产量,并在nMOSFETs interface-trap形成更高的剂量。直流和低频率噪声仿真表明,负电荷捕获的STI氧化导致增强降解在狭窄的通道晶体管。在剂量100 Mrad (SiO2),主要的降解机制是捕获STI的负电荷。在超高剂量,界面陷阱的影响沿栅氧化层和胎侧STI变得更加重要。低频噪声模拟显示在小型设备研制和噪声与剂量增加,主要原因是在闸极介电层电荷俘获。此外,短沟道辐射诱导退化晶体管显示低于长渠道。事实上,现代CMOS技术采用光环植入,高掺杂大部分地区扩展。简而言之通道晶体管,源和漏光环植入可以互相重叠,增加整体掺杂在英吉利海峡地区。3 d模拟确认棉酚在TID掺杂浓度的影响反应。更高的散装掺杂需要大量的电荷来改变载波分布,因此减轻辐射诱导效果在短通道晶体管。通过模拟,我们确认通道长度的依赖与光环植入有关,意外地增加辐射现代CMOS器件的宽容。
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