CN101727525B - 一种分析cmos器件位移损伤效应的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种分析CMOS器件辐照位移损伤的模型，属于CMOS器件的辐照位移损伤技术领域。该模型由六个子分析模块组成，包括：一漏、源端位移损伤分析模块、一沟道区位移损伤分析模块、一缺陷群分析模块、一复合增强迁移分析模块、一瞬态增强扩散分析模块和一隔离区位移损伤分析模块，利用蒙特卡罗的方法按照高斯分布随机生成入射粒子，所述模型根据入射粒子打入器件的位置，获取上述六个子分析模块中的一个或多个值，得到CMOS器件在辐照条件下的位移损伤效应。利用本发明能够准确地估算出器件和集成电路在辐射环境中的位移损伤效应。

Description

一种分析CMOS器件位移损伤效应的方法

技术领域

本发明涉及集成电路抗辐照技术，具体是一种分析位移损伤效应对CMOS器件的电学特性影响的模型。 

背景技术

几十年来，CMOS集成电路一直遵循摩尔定律不断发展。通过缩小器件尺寸，不断提高集成度。随着器件特征尺寸缩小，器件性能也在不断变化发展。但是，器件特征尺寸的减小也带来了各种小尺寸效应和可靠性问题。小尺寸效应主要包括亚阈值特性严重退化、DIBL(漏引起的势垒降低)以及阈值电压与沟道长度相关到非常严重的程度；可靠性问题主要包括热载流子效应、氧化层随时间的击穿(TDDB)和PN结的退变等。为了使深亚微米器件正常工作，人们进行了多种改进，包括降低外加电压、浅源/漏结、薄栅氧化层和衬底重掺杂等等。另外，为了提高器件的性能，通常采取后退沟道掺杂、Halo结构等来改善器件的特性。对于从事器件抗辐照加固领域的研究人员来说，迫切需要了解辐照对深亚微米器件本身带来的新的效应，对在空间环境、核爆炸辐射环境下工作的深亚微米集成电路的辐照响应会产生怎样新的影响，及其与新型电路工艺相关的其它复杂的失效模式。 

近年来，人们主要关注的是辐照对深亚微米器件产生的软击穿和泄漏电流的影响，研究的焦点主要集中在被栅氧层、埋氧层、浅沟槽隔离区和体区，俘获/收集的辐照离化产生的电荷对器件产生的影响，而对非离化的辐照效应(位移损伤效应)研究的相对较少。即对于传统的长沟器件，位移损伤效应相对离化辐照效应是次级效应，可以忽略。随着器件特征尺寸的缩小，由于受重粒子辐照产生的物理损伤区的作用范围可以和器件的特征尺寸相比拟，这种效应变得越来越重要，无法忽略。比如这些缺陷群会使器件沟道的掺杂原子数目随机发生变化，进一步导致阈值电压起伏变化。由于现在所用器件的沟道掺杂原子都在几十个到数百个，这种现象表现的越来越明显。特别是尺寸越小，一个芯片内的MOS晶体管的数目就越多，器件参数的偏差就会越大。很多电路如SRAM单元，灵敏放大器以及某些数字电路和模拟电路都要求器件参数对称，辐照引起的杂质浓度变化，进而影响阈值电压的变化，使器件参数失配，从而严重影响电路的性能。 

因此，随着电路集成度地提高，原来只考虑辐照离化效应，用于预测器件和集成电路单粒子效应的方法已经不准确，不能满足当前辐照技术的应用。这就迫切需要从事辐照领域的研究人员寻找一种分析器件和集成电路位移损伤的方法，进一步准确的预测集成电路的辐照性能。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种分析CMOS器件位移损伤的模型。 

本发明的上述目的是通过如下的技术方案予以实现的： 

一种分析CMOS器件位移损伤效应的模型，其特征在于，由六个子分析模块组成，包括： 

一漏、源端位移损伤分析模块，用于计算单粒子打入器件源、漏端引起的有效栅压和漏压减小变化值； 

一沟道区位移损伤分析模块，用于计算单粒子打入器件沟道区的掺杂浓度变化值； 

一缺陷群分析模块，用于计算单粒子打入器件沟道区的载流子迁移率的退化值； 

一复合增强迁移分析模块，用于计算单粒子打入器件沟道区的复合增强迁移率的变化值； 

一瞬态增强扩散分析模块；用于计算单粒子打入器件halo区表面掺杂浓度变化值； 

一隔离区位移损伤分析模块，用于计算单粒子打入器件隔离区的俘获电荷变化值； 

利用蒙特卡罗的方法按照高斯分布随机生成入射粒子，所述模型根据入射粒子打入器件的位置，获取上述六个子分析模块中的一个或多个值，得到CMOS器件在辐照条件下的位移损伤效应。 

所述漏、源端位移损伤分析模块的运算公式 $V_{\mathrm{gseff}}=V_{\mathrm{gseff}0}(1-M_1{e}^{M_2\mathrm{\φ}}),$ V_gseff为辐照后有效栅压，V_gseff0为辐照前有效栅压，φ为辐照时的通量，M₁和M₂为拟合因子，M₁取值范围为10^-5～1，M₂取值范围为-7×10^-6～2×10^-4cm²s/ions，运算 公式 $V_{\mathrm{dseff}}=V_{\mathrm{dseff}0}(1-N_1{e}^{N_2\mathrm{\φ}}),$ V_dseff为辐照后有效漏压，V_dseff0为辐照前有效漏压，φ为辐照时的通量，N₁和N₂为拟合因子，N₁取值范围为10^-5～1，N₂取值范围为-7×10^-6～2×10^-4cm²s/ions。 

所述沟道区位移损伤分析模块的运算公式为 $N_{\mathrm{ch}}=B_1{e}^{-B_2\mathrm{\φ}}{N}_{\mathrm{ch}0},$ N_ch为辐照后的沟道掺杂浓度，N_ch0为辐照前的沟道掺杂浓度，φ为辐照时的通量，B₁和B₂为拟合因子，B₁取值范围为10^-5～1，B₂取值范围为-1.38×10^-4～4.35×10^-5cm²s/ions。 

所述缺陷群分析模块的运算公式为 $\frac{1}{\mathrm{\μ}}=\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_0}(1+C_1{e}^{C_2\mathrm{\φ}}),$ μ为辐照后的迁移率，μ₀为辐照前的迁移率，φ为辐照时的通量，C₁和C₂为拟合因子，C₁取值范围为10^-5～1，C₂取值范围为-1.5×10^-4～1.24×10^-4cm²s/ions。 

所述复合增强迁移分析模块的运算公式为 ${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{enhanced}}=D_1{e}^{D_2\mathrm{\φ}}{\mathrm{\μ}}_0,$ μ_enhanced为辐照后的迁移率，μ₀为辐照前的迁移率，φ为辐照时的通量，D₁和D₂为拟合因子，D₁取值范围为10^-5～1，D₂取值范围为0～1.192×10^-4cm²s/ions。 

所述瞬态增强扩散分析模块的运算公式为 $N_{\mathrm{halorad}}=N_{\mathrm{halo}}(1+F_1{e}^{F_2\mathrm{\φ}}),$ N_halorad为辐照后的halo区表面掺杂浓度，N_halo为辐照前的halo区表面掺杂浓度，φ为辐照时的通量，F₁和F₂为拟合因子，F₁取值范围为10^-5～1，F₂取值范围为0～1.317×10^-4cm²s/ions。 

所述隔离区位移损伤分析模块只计算单粒子打入NMOS器件隔离区的俘获电荷变化值，PMOS器件隔离区的俘获电荷无变化。所述隔离区位移损伤分析模块的运算公式为 $Q_{\mathrm{ox}}=H_1{e}^{H_2\mathrm{\φ}},$ Q_ox：辐照导致隔离区中俘获的电荷，φ为辐照时的通量，H₁和H₂为拟合因子，H₁取值范围为10^-5～1，H₂取值范围为0～5.687×10^-4cm²s/ions。 

本发明的技术效果： 

参考图1，当高能粒子入射到半导体材料，在与半导体材料晶格原子相互作用时，能够将能量传递给与其相互作用的晶格原子，从而产生位移损伤，并进而 形成物理损伤区或叫缺陷群。而在这些物理损伤区中，存在着大量的陷阱和缺陷。这些缺陷会对半导体材料的电学特性产生很大的影响，包括载流子的迁移率、掺杂浓度、电阻率等，从而进一步影响器件的漏电流、阈值电压、亚阈摆幅等等。 

本发明根据入射粒子打到器件的位置不同，将单粒子产生的位移损伤造成CMOS器件的电学特性变化分为6种，利用蒙特卡罗的方法按照高斯分布随机生成入射粒子，估算出CMOS器件在辐射环境中的位移损伤。 

附图说明

下面结合附图对本发明进一步详细地说明： 

图1为高能粒子入射到CMOS器件的示意图； 

图2本发明实施例中NMOS晶体管辐照前后的转移曲线对比图； 

图3本发明另一实施例中PMOS晶体管辐照前后的转移曲线对比图； 

图4本发明第三个实施例中NMOS晶体管辐照前后的转移曲线对比图。 

具体实施方式

下面参照本发明的附图，更详细的描述出本发明的最佳实施例。 

以下是本发明六个子分析模块详细描述： 

一漏、源端位移损伤分析模块：位移损伤导致有效的栅源电压V_gseff和漏源电压V_dseff降低。随着MOS晶体管沟道长度的缩短，沟道的本征电阻减小，而源漏区的寄生电阻不会按照比例缩小，这使寄生电阻的影响变大。由于重粒子打到器件的源漏附近，辐照产生的位移损伤导致源漏寄生电阻增大，寄生的源漏电阻使有效的V_gseff和V_dseff下降， $V_{\mathrm{gseff}}=V_{\mathrm{gseff}0}(1-M_1{e}^{M_2\mathrm{\φ}}),$ V_Vgseff＝1-V_gseff/V_gseff0，  $V_{\mathrm{dseff}}=V_{\mathrm{dseff}0}(1-N_1{e}^{N_2\mathrm{\φ}}),$ V_Vdseff＝1-V_dseff/V_dseff0，V_gseff0为辐照前有效栅压，V_gseff为辐照后有效栅压，V_dseff0为辐照前有效漏压，V_dseff为辐照后有效漏压，V_Vgseff为有效栅压相比原始值降低的倍数，范围为0～0.5，V_Vdseff为有效漏压相比原始值降低的倍数，范围为0～0.5，φ为辐照时的通量，范围为10⁵～10¹⁰ions/cm²/s，M₁，M₂，N₁，N₂为拟合因子，范围分别为M₁＝10^-5～1，M₂＝-7×10^-6～2×10^-4cm²s/ions，N₁＝10^-5～1，N₂＝-7×10^-6～2×10^-4cm²s/ions。 

一沟道区位移损伤分析模块：位移损伤导致沟道掺杂浓度的降低。随着器件尺寸的缩小，沟道区下面耗尽层掺杂原子在几百个数量级，重离子产生的位移损伤区，可以作为陷阱，束缚多数载流子不参与导电，从而降低了半导体材料的纯杂质掺杂浓度，这就降低了平均掺杂浓度。 $N_{\mathrm{ch}}=B_1{e}^{-B_2\mathrm{\φ}}{N}_{\mathrm{ch}0},$ V_Nch＝1-N_ch/N_ch0，N_ch0为辐照前的沟道掺杂浓度，N_ch为辐照后的沟道掺杂浓度，V_Nch沟道掺杂浓度相比原始值降低的倍数，范围为0～0.98708，φ为辐照时的通量，范围为10⁵～10¹⁰ions/cm²/s，B₁，B₂为拟合因子，范围分别为10^-5～1，-1.38×10^-4～4.35×10^-5cm²s/ions。 

一缺陷群分析模块：位移损伤产生的缺陷群导致迁移率的退化。对于高能重粒子辐照，在弹性散射和非弹性散射核碰撞时，被转移的能量可以达到足以撞击一个原子使它离开自己的晶格位置。由此形成一个空位(V)和一个间隙原子(I)。硅中的空位和间隙，是非常易动的。根据费米能级的位置不同，他们可能形成不同的电荷状态，在辐照时，由电离沉积大部分的能量，因此产生高的自由载流子浓度，并且改变缺陷的电荷状态以及扩散和反映的性质。间隙和空位均有他们自己的互作用链。空位趋向于同杂质配对，形成V-O，V-V等中心，并产生一系列的络合物，反映出V^-、V⁰、V⁺⁺不同性质的电荷状态。类似的，间隙原子I的不同电荷状态I^-、I⁰、I⁺⁺。这些带电的杂质缺陷可作为载流子的散射中心会使库伦散射增强，造成迁移率下降。 $\frac{1}{\mathrm{\μ}}=\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_0}(1+C_1{e}^{C_2\mathrm{\φ}}),$ V_μ＝1-μ/μ₀，μ为辐照后的迁移率，μ₀为辐照前的迁移率，V_μ为沟道迁移率相比原始值降低的倍数，范围为0～0.7，φ为辐照时的通量，范围为10⁵～10¹⁰ions/cm²/s，C₁，C₂为拟合因子，范围分别为10^-5～1，-1.5×10^-4～1.24×10^-4cm²s/ions。 

一复合增强迁移分析模块：入射粒子致使晶格重构，迁移率的增加。当半导体材料受到辐照，硅中的空位和间隙是非常易动的。根据费米能级的位置不同，它们可形成不同的电荷状态。在辐照时，由电离沉积大部分能量，因此产生高的自由载流子浓度，并且改变点缺陷的电荷状态以及扩散和反映的性质。当一些原子向新的电荷周围靠近时，在这些缺陷位置捕获载流子可以将振动能量传递给这个系统。结果这就有助于迁移，形成所谓的“复合增强迁移”，它导致高的迁移率。  ${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{enhanced}}=D_1{e}^{D_2\mathrm{\φ}}{\mathrm{\μ}}_0,$ V_μenhanced＝V_μenhanced/μ₀-1，μ_enhanced为辐照后的迁移率，μ₀为辐照前的迁移率，V_μenhanced为沟道迁移率相比原始值增加的倍数，范围为0～0.5，φ为辐照时的通量，范围为10⁵～10¹⁰ions/cm²/s，D₁，D₂为拟合因子，范围分别为10^-5～1，0～1.192×10^-4cm²s/ions。 

一瞬态增强扩散分析模块：瞬态增强扩散，导致halo区表面浓度的增大。当重离子打到器件的沟道附近，一些间隙原子将从衬底扩散到沟道表面附近，由于是体硅器件衬底相对比较厚，这些原子会引起掺杂原子的增强扩散，在靠近源漏结、沟道表面掺杂原子的浓度增大，使器件的阈值电压增大。这种现象与源漏注入损失效应影响的短沟道效应——反常短沟道效应，相类似。进一步导致阈值电压增大，开态电流下降。 $N_{\mathrm{halorad}}=N_{\mathrm{halo}}(1+F_1{e}^{F_2\mathrm{\φ}}),$ V_Nhalorad＝N_halorad/N_halo-1，N_halo为辐照前的halo区表面掺杂浓度，N_halorad为辐照后的halo区表面掺杂浓度，V_Nhalorad为halo区表面掺杂浓度相比原始值增加的倍数，范围为0～5.627，φ为辐照时的通量，范围为10⁵～10¹⁰ions/cm²/s，F₁，F₂为拟合因子，范围分别为10^-5～1，0～1.317×10^-4cm²s/ions。 

一隔离区的单粒子位移损伤模块：隔离区俘获的电荷。对于n管关态电流的增大，这是由于重粒子打到沟槽隔离区，会产生大量的电子空穴对，由于隔离区存在原生缺陷(陷阱)，这些陷阱会俘获大量的空穴，这些空穴使靠近沟槽隔离区的硅区反型，形成了寄生晶体管，导致源漏连通，增加了泄漏通道，致使泄漏电流增大。这种效应类似于总剂量效应。在传统长沟器件，由于重粒子的作用半径相对于器件的尺寸，可以忽略，这种效应很不明显，是次要因素。但是当器件尺寸逐渐缩小到深亚微米，单粒子离化的作用就变得明显起来，导致了泄漏电流增加。所以说，这说明随着器件尺寸的缩小，除了单粒子表现得瞬态效应，单粒子表现的微剂量效应(类似总剂量效应)影响越来越重要了，并且这种效应是硬损伤。单粒子效应的影响和总剂量效应类似，对直流特性有很大的影响。但对于p管，由于其导致的寄生晶体管阈值电压大于主管的阈值电压，不能导致泄漏电流的增加。所以说，不论是重粒子打到还是没有打到器件的沟槽隔离区，p管的泄漏电流都不会增加，这与总剂量效应类似，所以说辐照对p管泄漏电流是没有影响的。对于n管， $Q_{\mathrm{ox}}=H_1{e}^{H_2\mathrm{\φ}},$ Q_ox：辐照导致隔离区中俘获的电荷，Q_ox的 范围：0～5×10¹⁹/cm³，φ为辐照时的通量，范围为10⁵～10¹⁰ions/cm²/s，H₁，H₂为拟合因子，范围分别为10^-5～1，0～5.687×10^-4cm²s/ions。 

以下以沟道区位移损伤分析模块、瞬态增强扩散分析模块和漏、源端位移损伤分析模块为例说明本发明子分析模块的运算。 

根据前面对沟道区位移损伤分析模块的分析，看出重离子产生的位移损伤区，可以作为陷阱，束缚多数载流子不参与导电，从而降低了半导体材料的纯杂质掺杂浓度，沟道区下面耗尽层掺杂原子在几百个数量级，这就降低了平均掺杂浓度，会使器件阈值电压减小。当确定了入射粒子打击位置为沟道区后，根据实验提供的φ＝5.0×10⁷ions/cm²/s，已知N_ch0的值为3.87×10¹⁷/cm³，然后利用拟合因子B₁＝0.5，B₂＝1.185×10^-8，可以得出位移损伤使沟道掺杂浓度降低了近3/4。图2为NMOS晶体管辐照前后的转移曲线对比图(实验结果)，根据该实验结果，得到辐照后器件的阈值电压降低了72mV。 

当重离子打到器件的沟道附近，一些间隙原子将从衬底扩散到沟道表面附近，由于是体硅器件衬底相对比较厚，这些原子会引起掺杂原子的增强扩散，在靠近halo区沟道表面掺杂原子的浓度增大，使器件的阈值电压增大。瞬态增强扩散分析模块根据实验提供的φ＝5.0×10⁷ions/cm²/s，已知N_halo的值为9.0×10⁸/cm³，然后利用拟合因子F₁＝0.3，F₂＝1.86×10^-8，可以算出瞬态增强扩散使halo区沟道表面掺杂浓度增加了0.76倍，迁移率降低了0.033倍。图3为PMOS晶体管辐照前后的转移曲线对比图(实验结果)，根据实验结果，辐照后器件的阈值电压增大了80mV。 

根据前面分析，由于重粒子打到器件的源漏端，致使源漏寄生串联电阻增加，使MOS晶体管的有效工作电压下降，使器件的工作电流和跨导下降。辐照产生的位移损伤导致源漏寄生电阻增大，寄生的源漏电阻使有效的V_gseff和V_dseff下降。入射粒子打击位置为漏区，根据实验提供的φ＝5.0×10⁷ions/cm²/s，然后利用漏、源端位移损伤分析模块的拟合因子N₁＝0.1，N₂＝2.56×10^-8，可以算出V_dseff降低了0.359倍。图4为NMOS晶体管辐照前后的转移曲线对比图(实验结果)，根据实验结果，辐照后器件的漏电流降低了近30％。 

上述六种模块是根据粒子入射位置不同，分别建立的，具有等同的重要性。根据以上分析，针对位移损伤对器件的电学特性影响，利用蒙特卡罗的方法按照 高斯分布随机生成入射粒子，每个入射粒子对器件的位移损伤造成的影响只能是上述其中的一种或多种。从而能够准确的预测器件和集成电路位移损伤效应。 

上述实施例只是本发明的举例，本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例和附图所公开的内容。 

Claims (1)

1.一种分析CMOS器件位移损伤效应的方法，其特征在于，利用蒙特卡罗方法按照高斯分布随机生成入射粒子，根据入射粒子打入器件的位置，获取六个分析模块中的一个或多个计算值，得到CMOS器件在辐照条件下的位移损伤效应，其中六个分析模块具体包括：

一漏、源端位移损伤分析模块，计算单粒子打入器件源、漏端引起的有效栅压和漏压的减小值，所述漏、源端位移损伤分析模块的运算公式

V_gseff为辐照后有效栅压，V_gseff0为辐照前有效栅压，φ为辐照时的通量，M₁和M₂为拟合因子，M₁取值范围为10^-5～1，M₂取值范围为-7×10^-6～2×10^-4cm²s/ions，运算公式

V_dseff为辐照后有效漏压，V_dseff0为辐照前有效漏压，φ为辐照时的通量，N₁和N₂为拟合因子，N₁取值范围为10^-5～1，N₂取值范围为-7×10^-6～2×10^-4cm²s/ions；

一沟道区位移损伤分析模块，计算单粒子打入器件沟道区的掺杂浓度变化值，所述沟道区位移损伤分析模块的运算公式为

N_ch为辐照后的沟道掺杂浓度，N_ch0为辐照前的沟道掺杂浓度，φ为辐照时的通量，B₁和B₂为拟合因子，B₁取值范围为10^-5～1，B₂取值范围为-1.38×10^-4～4.35×10^-5cm²s/ions；

一缺陷群分析模块，计算单粒子打入器件沟道区的载流子迁移率的退化值，所述缺陷群分析模块的运算公式为

μ为辐照后的载流子迁移率，μ₀为辐照前的载流子迁移率，φ为辐照时的通量，C₁和C₂为拟合因子，C₁取值范围为10^-5～1，C₂取值范围为-1.5×10^-4～1.24×10^-4cm²s/ions；

一复合增强迁移分析模块，计算单粒子打入器件沟道区的复合增强迁移率的变化值，所述复合增强迁移分析模块的运算公式为

μ_enhanced为辐照后的复合增强迁移率，μ₀为辐照前的复合增强迁移率，φ为辐照时的通量，D₁和D₂为拟合因子，D₁取值范围为10^-5～1，D₂取值范围为0～1.192×10^-4cm²s/ions；

一瞬态增强扩散分析模块，计算单粒子打入器件halo区表面掺杂浓度变化值，所述瞬态增强扩散分析模块的运算公式为N_halorad为辐照后的halo区表面掺杂浓度，N_halo为辐照前的halo区表面掺杂浓度，φ为辐照时的通量，F₁和F₂为拟合因子，F₁取值范围为10^-5～1，F₂取值范围为0～1.317×10^-4cm²s/ions；

一隔离区位移损伤分析模块，计算单粒子打入器件隔离区的俘获电荷变化值，所述隔离区位移损伤分析模块只计算单粒子打入NMOS器件隔离区的俘获电荷变化值，PMOS器件隔离区的俘获电荷无变化，所述隔离区位移损伤分析模块的运算公式为

Q_ox为辐照导致隔离区中俘获的电荷，φ为辐照时的通量，H₁和H₂为拟合因子，H₁取值范围为10^-5～1，H₂取值范围为0～5.687×10^-4cm²s/ions。

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