基于Geant4的纳米FinFET器件单粒子辐照效应研究

• 作 者: 朱思达
• 机 构: 西安电子科技大学
• 出 处: 西安电子科技大学
• 发表日期: 2020年期
• 关键词: 鳍式场效应晶体管

随着国家航空航天事业的发展，对器件抗辐照可靠性要求日益增加。而随着器件尺寸的缩小，单粒子效应影响愈发严重及复杂化，作为严重影响空间辐射环境中器件可靠性的关键因素而备受关注。且随着器件尺寸缩小带来的短沟道效应愈发严重，平面MOSFET逐渐被具有良好栅控能力的鳍式场效应晶体管(Fin Field-Effect Transistor， FinFET)取代。为了使FinFET器件更好应用于航天领域，对其单粒子效应的研究十分必要。本文使用数值模拟方法对体硅FinFET和绝缘体上硅(Silicon-On-Insulator， SOI)FinFET两种常用纳米尺度器件结构的单粒子效应分别进行了研究，研究结果如下：
　　首先，利用蒙特卡洛工具Geant4和SRIM建立了模拟环境。分别研究了质子、Alpha粒子、Beta粒子、Gamma粒子、重离子五类常见粒子轰击硅靶的过程。研究发现质子入射硅靶后的电离能力呈Bragg分布，运动距离R0符合Geiger关系；Beta粒子与Gamma粒子电离能力接近0，且可以相互转换；研究了Alpha粒子和重离子的线性能量传输(Linear Energy Transfer，LET)分布，发现LET峰值与粒子原子序数有关，且低能高原子序数重离子会发生大量核反应释放能量从而加剧单粒子效应。进一步研究靶材和掺杂对LET分布的影响，得到了化合物的LET预估公式。
　　而后，利用Sentaurus对28nm的体硅FinFET与SOIFinFET器件分别进行建模，并分别研究了两种器件的单粒子效应。研究发现随着粒子LET值的提升，两种器件瞬态脉冲峰值均会增加；随着粒子入射深度的增加，两种器件脉冲峰值的增幅均会逐渐减缓，当粒子完全穿过器件时，SOI结构比体硅结构的脉冲峰值降低了47.45%，收集电荷降低了80.36%；随着粒子入射位置从源区到漏区变化，两种器件的脉冲峰值均会先增大再减小，当入射位置为沟道区与漏区界面时，两种器件脉冲峰值达到最大；随着器件漏端电压的提升，两种器件的脉冲峰值均有所增加。
　　最后，使用TCAD与蒙特卡洛模拟相结合的方法分别对体硅FinFET6T-SRAM(Static Random-Access Memory)和SOIFinFET6T-SRAM进行了更精确的翻转预测。研究发现Beta粒子和Gamma粒子对两种SRAM的影响相同，均不能使两种SRAM发生翻转；质子和Alpha粒子可以使两种SRAM发生翻转，与体硅FinFET6T-SRAM相比，当入射粒子为质子时，SOIFinFET6T-SRAM的峰值翻转截面降低了约57.0%，翻转能量范围降低了约89.6%，当入射粒子为Alpha粒子时，SOIFinFET6T-SRAM的峰值翻转截面几乎不发生变化，翻转能量范围降低了约87.8%；重离子则较容易导致6T-SRAM翻转，与体硅FinFET6T-SRAM相比，当入射粒子为低能重离子时，SOIFinFET6T-SRAM翻转截面几乎相同，当入射粒子为高能重离子时，SOIFinFET6T-SRAM翻转能量范围降低了约89.7%，中高原子序数的重离子翻转截面最高降低了82.3%；金属互联会导致低能入射粒子更容易发生背散射，降低低能入射粒子的翻转截面；屏蔽层可以对6T-SRAM进行有效加固，1cm的硅屏蔽层即可使几乎任何能量宇宙粒子入射后的6T-SRAM完全不翻转。