CN113591320B - 一种热载流子效应和总剂量效应的耦合仿真方法 - Google Patents

一种热载流子效应和总剂量效应的耦合仿真方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113591320B
CN113591320B CN202110907226.XA CN202110907226A CN113591320B CN 113591320 B CN113591320 B CN 113591320B CN 202110907226 A CN202110907226 A CN 202110907226A CN 113591320 B CN113591320 B CN 113591320B
Authority
CN
China
Prior art keywords
effect
hot carrier
total dose
nmos field
carrier effect
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110907226.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN113591320A (zh
Inventor
刘红侠
高子厚
陈树鹏
王树龙
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xidian University
Original Assignee
Xidian University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xidian University filed Critical Xidian University
Priority to CN202110907226.XA priority Critical patent/CN113591320B/zh
Publication of CN113591320A publication Critical patent/CN113591320A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113591320B publication Critical patent/CN113591320B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Thin Film Transistor (AREA)
  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)

Abstract

本发明公开了一种热载流子效应和总剂量效应的一种耦合仿真方法，主要解决现有技术无法准确得到NMOS场效应管电学特性随时间变化的问题，其实现方案是：利用TCAD工具的Sentaurus软件进行建模得到NMOS器件结构；对该器件利用施加的热载流子应力提取出器件的栅氧化层电荷和界面态陷阱电荷浓度进行仿真，得到器件在热载流子应力下的电学特性；然后激活Radiation模型进行总剂量效应和热载流子效应的耦合仿真，得到器件在耦合应力下的退化特性。本发明相比现有技术采用加固定电荷的方法，能更加准确的反映出总剂量效应对热载流子效应的影响，可用于获得NMOS场效应晶体管的电学特性。

Description

一种热载流子效应和总剂量效应的耦合仿真方法
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种热载流子效应和总剂量效应的耦合仿真方法，可用于获得NMOS场效应晶体管的电学特性。
背景技术
绝缘体上硅SOI技术是上个世纪末以来集成电路领域兴起的研究热点，并且伴随着 SOI技术应用的快速发展和逐渐成熟，SOI器件因其具有的优点而被广泛用于航天技术。
SOI器件相较于体硅器件，消除了闩锁效应，减小了软误差率和寄生电容、泄漏电流，并且器件隔离工艺更加简单，浅结制作更加方便。但是，随着器件尺寸不断缩小， SOI器件也会遭受热载流子效应的损伤，并且因为埋氧层的存在，使得对于其热载流子损伤方面的研究比相应的体硅器件复杂得多，并且在空间长时间运行的设备和器件，也会受到空间辐射效应总剂量的影响而使得器件寿命降低。对于上面出现的热载流子效应和总剂量效应的研究，国内外无论是器件可靠性还是空间效应的模拟实验，都是采用单机理的地面模拟方式。以往基于HCI效应的仿真都是通过在氧化层中加固定电荷和在界面处加陷阱电荷模拟，但由于真实器件在热载流子实验中所加的偏置电压以及产生的电荷浓度是随着应力时间的增加而逐渐变化的，加固定电荷和陷阱电荷无法模拟不同应力偏置电压下的热载流子效应，具有极大的不确定性。因此基于TCAD的新型HCI仿真方法的研究就显得非常必要，同时，在实际的太空辐射环境下，器件的电离辐射效应也是很复杂的。由于实际的辐照环境中，TID效应和HCI效应都是积累性的效应，一般情况下不会对电路或器件造成灾难性的损伤，它们主要会影响器件的基本电学特性，使其变差，这个时间往往会经过很长时间(几万秒)。在空间应用中，NMOS场效应晶体管同时面临着总剂量效应和自身热载流子效应的影响，总剂量对器件的影响主要为在STI 区域产生氧化物陷阱电荷与界面态，该带正电的氧化物陷阱电荷是造成器件漏电与阈值电压漂移的关键因素。同时，HCI效应也是由于沟道电场的增大而产生的电学参数退化，更重要的是电离辐射产生的氧化物陷阱电荷与界面态对器件沟道电场与热载流子迁移率有直接影响。现有TID效应会导致器件电学特性在自身HCI效应影响下产生更大的器件电学特性的退化，也就是说TID效应会加剧HCI效应为，因此HCI与TID耦合效应实质上是TID对HCI效应的影响。由于实验环境限制，耦合研究大部分只能通过TCAD 的仿真。
现有的TCAD仿真方法是在器件栅氧化层中加入固定电荷来模拟HCI效应和TID效应对器件造成的损伤，但这种方法无法反映出器件在不同偏置电压、不同应力时间、不同辐照剂量率以及不同辐照剂量下的陷阱电荷浓度随时间的变化关系，无法准确的得出器件电学特性。
发明内容
本发明的目的在于针对上述解决现有技术的不足，提供了一种热载流子效应与总剂量效应的耦合仿真方法，以在不同偏置电压、不同应力时间、不同辐照剂量率以及不同辐照剂量下，获得器件陷阱电荷浓度随时间的变化关系，从而准确的得出器件电学特性的退化。
为实现上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
1、一种热载流子效应与总剂量效应的耦合仿真方法，其特征在于，包括：
⑴利用工艺及器件仿真工具TCAD中Sentaurus软件对基于SOI工艺的NMOS场效应晶体管进行三维结构建模，得到用于热载流子效应研究的三维器件结构模型；
⑵在Sentaurus软件的计算模型中提取该三维器件结构的陷阱电荷浓度和界面态浓度随时间的变化关系，并对其进行多项式拟合，得到拟合后的函数模型；
⑶将拟合后的函数模型导入Sentaurus软件的计算模型中，得出用于对热载流子效应仿真的计算模型，并对上述三维器件结构的界面态加正极性，陷阱电荷加负极性，再进行热载流子效应的仿真，得到热载流子效应的电学特性A，并将其保存在该载流子效应仿真计算模型中；
⑷在热载流子效应计算模型中加入辐照Radiation模型，并设置辐照时间和辐照剂量，进行热载流子效应和总剂量效应的耦合仿真，得到热载流子效应和总剂量效应的耦合电学特性B；
⑸将上述得到热载流子效应的电学特性A与热载流子效应和总剂量效应的耦合电学特性B进行对比，得出总剂量效应是否加剧了NMOS场效应管热载流子效应退化的结果：
如果A＞B，则总剂量效应加剧了NMOS场效应管热载流子效应的退化；
如果A＜B，则总剂量效应没有加剧NMOS场效应管热载流子效应的退化。
本发明具有如下优点：
⑴本发明由于采用导入动态的界面态和陷阱电荷浓度函数模型模拟热载流子效应，使得仿真结果更加准确；
⑵本发明由于采用激活后的Radiation模型模拟总剂量效应，使得总剂量效应的仿真相比于加固定电荷的方法更加精确；
⑶本发明由于在软件Sentaurus的计算模型中同时导入动态的界面态和陷阱电荷浓度函数模型和辐照Radiation模型，使得热载流子效应和总剂量效应的耦合仿真结果更加完善和准确。
附图说明
图1是本发明仿真使用的Sentaurus软件结构示意图；
图2是本发明的总实现流程图；
图3是本发明中利用Sentaurus软件建模得到的基于SOI工艺的NMOS场效应晶体管三维结构示意图；
图4是本发明中对图3进行新型热载流子效应仿真的子流程图；
图5是本发明对图4中NMOS场效应管界面态和陷阱浓度的拟合结果图；
图6是本发明对图4中NMOS场效应管热载流子效应的仿真结果图；
图7是本发明中对图3进行热载流子效应与总剂量效应耦合仿真的子流程图；
图8是本发明对图3中NMOS场效应管热载流子效应和总剂量效应耦合仿真的对比结果图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细描述
参照图1，是本发明仿真使用的Sentaurus软件，其主要包括四个工具：SDE、Sdevice、 Sentaurus Visual和Inspect，其中SDE用来构建器件结构，设定掺杂信息和网格信息； Sdevice用来计算网格，求解半导体方程，包括六个部分，分别是File-定义输入和输出文件、Physics-定义仿真采用的物理模型、Plot-保存求解后的变量信息、Math-控制仿真时的数值计算、Electrode-定义器件结构电极并设置偏置状态和Solve-求解泊松方程；Sentaurus Visual用来查看仿真后器件的结构和物理参数；Inspect用来查看器件仿真后的电学特性。
参照图2，是本发明的实现步骤包括如下：
步骤1，利用Sentaurus软件建模得到的基于SOI工艺的NMOS场效应晶体管三维结构示意图。
在Sentaurus软件中使用SDE用来构建NMOS场效应管结构，设定掺杂信息和网格信息，模拟NMOS场效应管模型，其结构自下而上为衬底、埋氧层和体区，体区上面分别是源区、沟道和漏区，沟道上面是栅极如图3，其中，图3(a)是三维器件结构图，图3(b) 是三维器件结构网格分布图。
步骤2，对NMOS场效应晶体管进行热载流子效应的仿真，得到热载流子效应的电学特性A。
参照图4，本步骤具体实现如下
2.1)在Sentaurus软件的计算模型加入NMOS场效应管的应力设置：
温度取300K，栅极电压Vgs为1.5V，漏极电压VDs分别取2.8V、2.9V和3V，时间节点为1s、100s、300s、500s、1000s、3000s、5000s、10000s。
2.2)计算和提取该三维器件结构的陷阱电荷浓度随时间的变化关系如图5(a)和界面态浓度随时间的变化关系如图5(b)所示，并对这两个变化关系进行多项式拟合，得到拟合后的函数模型通式如下:
Ax6+Bx5+Cx4+Dx3+Ex2+Fx+H
式中，A、B、C、D、E、F是根据曲线拟合出的多项式中各项对应的系数，H是曲线与Y轴交点的纵坐标值，x是时间t的对数形式log10t；
2.3)将NMOS场效应管栅极电压Vgs取1.5V，漏极电压VDs分别取2.5V、2.6V、2.7V、2.8V、2.9V和3V，代入到上述函数模型中，得到NMOS场效应管陷阱电荷随时间变化的函数和界面态随时间的函数如图5(c)所示，其中，t是时间，t1、t2、t3、t4、t5和t6 分别表示log10t、log10t2、log10t3、log10t4、log10t5和log10t6，n5、n51、n4、n41、 n3、n31、n2、n21、n1、n11、n0和n01分别表示NMOS场效应管在漏极电压VDs分别取2.5V、2.6V、2.7V、2.8V、2.9V和3V下，拟合出的陷阱电荷浓度随时间变化和界面态随时间变化的函数，并对上述三维器件结构的界面态加正极性，陷阱电荷加负极性，再进行热载流子效应的仿真，得到热载流子效应的电学特性A，其中NMOS场效应管的转移特性曲线如图6(a)，从NMOS场效应管的转移特性曲线的时间节点1s、100s、 300s、500s、1000s、3000s、5000s、10000s，提取出不同应力时间节点所对应的阈值电压曲线如图6(b)、最大跨导曲线如图6(c)和饱和漏极电流曲线如图6(d)。
从图6可以看出，随着应力时间的增加，NMOS场效应管的电学特性退化程度逐渐增大，是一个动态的结果，更加贴合实际。而现有主流采用的加固定电荷的方法，得到的NMOS场效应管电学特性如阈值电压是一个单一的值，无法准确得到电学特性的退化趋势，与实际情况存在较大差距。
步骤3，对NMOS场效应晶体管进行热载流子效应和总剂量效应的耦合仿真，得到其耦合电学特性B。
参照图7，本步骤具体实现如下
3.1)热载流子效应与总剂量效应的耦合应力设置为：
总剂量效应剂量率为200rad(SiO2)/s，辐照时间分别为500s，1000s，1500s和2000s，即对应总剂量分别为100krad(SiO2)/s、200krad(SiO2)/s、300krad(SiO2)/s和400krad(SiO2)/s。热载流子效应应力电压为：栅极电压Vgs为1.5V，漏极电压VDs分别取2.8V、2.9V和3V，时间节点为1s、100s、300s、500s、1000s、3000s、5000s、10000s。
3.2)在热载流子效应计算模型中加入辐照Radiation模型，并设置辐照时间和辐照剂量，进行热载流子效应和总剂量效应的耦合仿真，得到热载流子效应和总剂量效应的耦合电学特性B，其中，图8(a)是总剂量相同但热载流子效应应力时间不同下的转移特性曲线，图8(b)是热载流子应力相同但总剂量不同的转移特性曲线，从图8(a)的时间节点1s、100s、300s、500s、1000s、3000s、5000s、10000s，提取出不同应力时间节点所对应的阈值电压如图8(c)。
步骤4，根据热载流子效应电学特性A和热载流子效应与总剂量效应耦合电学特性B 对比，得出总剂量效应是否加剧了NMOS场效应管热载流子效应退化的结果。
热载流子效应电学特性A与热载流子效应与总剂量效应耦合电学特性B的对比包括对两者的阈值电压、最大跨导和饱和漏电流三种曲线的对比，本实例采用但不限于对热载流子效应阈值电压曲线如图6(b)与热载流子效应与总剂量效应耦合阈值电压曲线如图8(c)进行对比，其实现如下：
将上述得到的热载流子效应阈值电压曲线图6(b)，与热载流子效应与总剂量效应耦合阈值电压曲线图8(c)进行对比，得出总剂量效应是否加剧了NMOS场效应管热载流子效应退化的结果：
如果图6(b)中阈值电压曲线位于图8(c)中阈值电压曲线下方，则总剂量效应加剧了NMOS场效应管热载流子效应的退化；
如果图6(b)中阈值电压曲线位于图8(c)中阈值电压曲线上方，则总剂量效应没有加剧NMOS场效应管热载流子效应的退化。
将图6(b)中阈值电压曲线和图8(c)中阈值电压曲线放在同一坐标中如图8(d)，可以看到，对于横坐标的每一点，图6(b)中阈值电压始终位于图8(c)中阈值电压下方，因此可以得出结论：总剂量效应加剧了NMOS场效应管热载流子效应的退化。

Claims (5)

1.一种热载流子效应和总剂量效应的耦合仿真方法，其特征在于，包括：
⑴利用工艺及器件仿真工具TCAD中Sentaurus软件对基于SOI工艺的NMOS场效应晶体管进行三维结构建模，得到用于热载流子效应研究的三维器件结构模型；
⑵在Sentaurus软件的计算模型中提取该三维器件结构的陷阱电荷浓度和界面态浓度随时间的变化关系，并对其进行多项式拟合，得到拟合后的函数模型；
⑶将拟合后的函数模型导入Sentaurus软件的计算模型中，得出用于对热载流子效应仿真的计算模型，并对上述三维器件结构的界面态加正极性，陷阱电荷加负极性，再进行热载流子效应的仿真，得到热载流子效应的电学特性A，并将其保存在该载流子效应仿真计算模型中；
⑷在热载流子效应计算模型中加入辐照Radiation模型，并设置辐照时间和辐照剂量，进行热载流子效应和总剂量效应的耦合仿真，得到热载流子效应和总剂量效应的耦合电学特性B；
⑸将上述得到热载流子效应的电学特性A与热载流子效应和总剂量效应的耦合电学特性B进行对比，得出总剂量效应是否加剧了NMOS场效应管热载流子效应退化的结果：
如果A＞B，则总剂量效应加剧了NMOS场效应管热载流子效应的退化；
如果A＜B，则总剂量效应没有加剧NMOS场效应管热载流子效应的退化。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(2)中在Sentaurus软件的计算模型中提取三维器件结构的陷阱电荷浓度和界面态浓度随时间的变化关系，是在Sentaurus软件的计算模型中加入陷阱电荷浓度衰减模型、电离碰撞模型、载流子-载流子散射模型、幸运热载流子模型和应力电压，再进行仿真，得到NMOS场效应管的陷阱电荷浓度与界面态浓度随时间变化关系的曲线。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(2)中对三维器件结构的陷阱电荷浓度和界面态浓度随时间的变化关系进行多项式拟合，得到的拟合函数表示如下：
Ax6+Bx5+Cx4+Dx3+Ex2+Fx+H
式中，A，B，C，D，E和F是根据曲线拟合出的多项式系数，H是曲线与Y轴交点的纵坐标值，x是时间t的对数形式log10t。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(3)得到热载流子效应的电学特性A，是在软件Sentaurus中对将热载流子效应仿真得到的NMOS场效应管的转移特性曲线进行参数提取，得到该NMOS场效应晶体管的阈值电压、最大跨导和饱和漏极电流。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(4)得到热载流子效应和总剂量效应的耦合电学特性B，是在软件Sentaurus中对热载流子效应和总剂量效应耦合仿真得到的NMOS场效应晶体管的转移特性曲线进行参数提取，得到该NMOS场效应晶体管的阈值电压、最大跨导和饱和漏极电流。
CN202110907226.XA 2021-08-09 2021-08-09 一种热载流子效应和总剂量效应的耦合仿真方法 Active CN113591320B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110907226.XA CN113591320B (zh) 2021-08-09 2021-08-09 一种热载流子效应和总剂量效应的耦合仿真方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110907226.XA CN113591320B (zh) 2021-08-09 2021-08-09 一种热载流子效应和总剂量效应的耦合仿真方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113591320A CN113591320A (zh) 2021-11-02
CN113591320B true CN113591320B (zh) 2022-09-06

Family

ID=78256283

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110907226.XA Active CN113591320B (zh) 2021-08-09 2021-08-09 一种热载流子效应和总剂量效应的耦合仿真方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113591320B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115081180A (zh) * 2022-05-05 2022-09-20 西安电子科技大学 一种总剂量作用下栅隧穿电流仿真方法
CN117289105B (zh) * 2023-11-21 2024-02-13 广东仁懋电子有限公司 一种超结功率mos器件抗辐照性能测试方法及***

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112214952B (zh) * 2020-10-20 2022-08-30 中国科学院新疆理化技术研究所 一种总剂量效应与工艺波动耦合的电路仿真方法
CN112214953B (zh) * 2020-10-20 2022-08-05 中国科学院新疆理化技术研究所 一种电路级总剂量辐射效应仿真方法
CN112836386B (zh) * 2021-02-26 2024-04-16 西安电子科技大学 新型总剂量仿真方法及其与单粒子耦合仿真方法、装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN113591320A (zh) 2021-11-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113591320B (zh) 一种热载流子效应和总剂量效应的耦合仿真方法
Miura-Mattausch et al. Unified complete MOSFET model for analysis of digital and analog circuits
Giraldo et al. Aspect ratio calculation in n-channel MOSFETs with a gate-enclosed layout
CN108388721B (zh) Soi nmos总剂量辐射多偏置点电流模型建模方法
Kabaoğlu et al. Statistical MOSFET modeling methodology for cryogenic conditions
CN106446395A (zh) 一种nmos总剂量辐照效应的解析建模方法
Sah et al. A history of MOS transistor compact modeling
İlik et al. Modeling of total ionizing dose degradation on 180-nm n-MOSFETs using BSIM3
CN113341761B (zh) 一种cmos数字集成电路总剂量效应建模方法及***
CN107305593B (zh) 一种soi mosfet总剂量辐照模型的建模方法
Singh et al. BSIM3v3 to EKV2. 6 Model Parameter Extraction and Optimisation using LM Algorithm on 0.18 μ Technology node
US20050203719A1 (en) Method for simulating reliability of semiconductor device
Fernández-Martínez et al. Simulation of total ionising dose on LDMOS devices for high energy physics applications
Petrosyants et al. SOI/SOS MOSFET universal compact SPICE model with account for radiation effects
Rostand et al. Unified SPICE model for transient ionizing radiation response of SOI MOSFET
Petrosyants et al. Rad-hard versions of SPICE MOSFET models for effective simulation of SOI/SOS CMOS circuits taking into account radiation effects
Obrecht et al. TRASIM: compact and efficient two-dimensional transient simulator for arbitrary planar semiconductor devices
Cumberbatch et al. Current-voltage characteristics from an asymptotic analysis of the MOSFET equations
CN114814507A (zh) 一种寄生双极晶体管放大系数的测量方法及装置
US8429592B2 (en) N/P configurable LDMOS subcircuit macro model
Ortega et al. An alternative radiation hardened by layout design in a CMOS technology
Clark et al. SRAM cell optimization for low AV T transistors
Yu Charge injection and clock feedthrough
CN115081180A (zh) 一种总剂量作用下栅隧穿电流仿真方法
CN117216944A (zh) 适用于多种可靠性效应耦合研究的SOI FinFET器件的建模方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant