N 阱電阻的單粒子效應(yīng)仿真*

琚安安 郭紅霞 張鳳祁 劉曄 鐘向麗 歐陽曉平 丁李利 盧超 張鴻 馮亞輝

1) (湘潭大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,湘潭 411105)

2) (西北核技術(shù)研究院,強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710024)

利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(technology computer aided design,TCAD)軟件針對(duì)N 型阱電阻的單粒子效應(yīng)開展仿真研究,結(jié)果表明單個(gè)重離子入射到N 阱電阻中會(huì)造成器件輸出電流的擾動(dòng).經(jīng)過對(duì)電阻的工作機(jī)理和單粒子效應(yīng)引入的物理機(jī)制進(jìn)行分析,結(jié)果表明重離子在N 阱電阻中產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)中和了N 阱電阻中的空間電荷區(qū),使得N 阱電阻的阻抗瞬間減小、電流增大,且空間電荷區(qū)被破壞的面積越大瞬態(tài)電流的峰值越高.隨著阱結(jié)構(gòu)中的高濃度過剩載流子被收集,單粒子效應(yīng)的擾動(dòng)會(huì)消失.但N 阱電阻獨(dú)特的長寬比設(shè)計(jì)導(dǎo)致器件中的過剩載流子收集效率低、單粒子效應(yīng)對(duì)阱電阻的擾動(dòng)時(shí)間長.文中還對(duì)影響N 阱電阻單粒子效應(yīng)的其他因素開展了研究,結(jié)果表明重離子的線性能量傳輸(linear energy transfer,LET)值越高、入射位置距離輸入電極越遠(yuǎn),N 阱電阻的單粒子效應(yīng)越嚴(yán)重.此外,適當(dāng)縮短N(yùn) 阱電阻的長度、提高阱電阻的輸入電壓、降低電路電流可以增強(qiáng)其抗單粒子效應(yīng)表現(xiàn).

1 引言

隨著航天技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,越來越多的電子元器件被應(yīng)用到航天電子系統(tǒng)中.宇航級(jí)電子元器件是航天電子系統(tǒng)的第一優(yōu)先級(jí)選擇,這類元器件針對(duì)空間應(yīng)用背景進(jìn)行了加固設(shè)計(jì),有較高的在軌運(yùn)行可靠性,但是價(jià)格昂貴、性能落后、可供選擇的型號(hào)較少[1].為了滿足日益增長的空間任務(wù)需求,高性能、低成本的商用電子元器件逐漸應(yīng)用于空間環(huán)境中[2].然而,空間中存在大量的高能粒子及射線,它們會(huì)對(duì)電子元器件產(chǎn)生輻射效應(yīng),從而影響器件的可靠性.尤其近年來,隨著摩爾定律的發(fā)展,電子元器件的特征尺寸不斷縮小,空間輻射環(huán)境中的單個(gè)高能粒子對(duì)其造成的威脅(即單粒子效應(yīng))也愈發(fā)嚴(yán)重.因此,未經(jīng)過抗輻射加固設(shè)計(jì)的商用電子元器件在應(yīng)用于航天電子系統(tǒng)之前,必須要進(jìn)行篩選、測(cè)試與評(píng)估.電子元器件的組成結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,其單粒子效應(yīng)可靠性受其中的短板所限制.例如大規(guī)模集成電路中集成了數(shù)以萬計(jì)的基本電路單元,它們對(duì)單粒子效應(yīng)的敏感程度不同,器件的LET (linear energy transfer,LET)閾值是由對(duì)單粒子效應(yīng)最敏感的單元決定的.因此對(duì)基本電路單元開展器件級(jí)單粒子效應(yīng)研究,對(duì)于提高集成電路整體的抗單粒子效應(yīng)能力具有重要意義,目前已有多種基本電路組成單元表現(xiàn)出對(duì)單粒子效應(yīng)的敏感性,如NMOS晶體管[3]、VD MOS 晶體管[4]、納米體硅鰭形狀晶體管[5]、絕緣體上硅晶體管[6]等.從這些研究對(duì)象可以看出,目前對(duì)于單粒子效應(yīng)的關(guān)注多集中于后摩爾時(shí)代的晶體管等有源器件,而很少針對(duì)基本的電阻、電容器等無源器件,然而它們?cè)陔娮酉到y(tǒng)中同樣不可或缺.

在一項(xiàng)關(guān)于商用存儲(chǔ)器的單粒子效應(yīng)試驗(yàn)研究[7]中,發(fā)現(xiàn)位于器件外圍控制電路中的集成N 阱電阻(如圖1(a)所示)才是對(duì)單粒子效應(yīng)最敏感的單元,其敏感程度甚至超過晶體管.因此,N 阱電阻的單粒子效應(yīng)同樣值得被關(guān)注.N 阱電阻在模擬電路和混合信號(hào)電路中扮演著重要的角色,常見的應(yīng)用模塊有數(shù)模轉(zhuǎn)換電路[8]、靜電放電(electrostatic discharge,ESD)保護(hù)電路[9]、恒定電流源電路[10]等.現(xiàn)有針對(duì)集成電阻的研究多集中于器件本身的電學(xué)特性和電路應(yīng)用,而忽視了對(duì)器件輻照效應(yīng)的關(guān)注.如1997 年,Booth 和McAndrew[11]研究了三端擴(kuò)散電阻的電阻值;2006 年,Singh 和Roy[12]計(jì)算了N 阱電阻的電阻值;2007 年,李月影等[13]通過建立SPICE 模型研究了高壓阱電阻的歐姆特性;2009 年,石曉峰等[14]研究了N阱擴(kuò)散電阻在電應(yīng)力下產(chǎn)生的潛在損傷;2010 年,Srinivasan 等[15]研究了N 阱電阻中的低頻噪聲特性;甚至在2018 年,羅捷等[16]提出一種利用電阻作為靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(static random access memory,SRAM)輻射加固的應(yīng)用方法.但是針對(duì)N 阱電阻的單粒子效應(yīng)一直缺乏報(bào)道.

圖1 N 阱結(jié)構(gòu)示意圖 (a)位于一款存儲(chǔ)器外圍電路中的N 阱電阻,圖中的rnw3 表示三端N 阱 電阻;(b) N 阱 電阻的三維結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1.Structure diagram of the N-well resistor: (a) An Nwell resistor located in a memory peripheral circuit,rnw3 in the figure represents a three terminal N-well resistor;(b) the three-dimensional structure of N well resistor.

由于試驗(yàn)[7]中發(fā)現(xiàn)的N 阱電阻集成在其他電路中,單粒子效應(yīng)對(duì)它產(chǎn)生的影響只能通過整體電路的響應(yīng)來體現(xiàn),因此較難從試驗(yàn)上開展針對(duì)N阱電阻的單粒子效應(yīng)研究.本文通過TCAD Sentaurus 仿真工具對(duì)N 阱電阻的單粒子效應(yīng)進(jìn)行了仿真計(jì)算,確定了單個(gè)N 阱電阻的單粒子效應(yīng)規(guī)律,從內(nèi)部過剩載流子的產(chǎn)生、運(yùn)動(dòng)及收集過程揭示了器件的單粒子效應(yīng)機(jī)理,并在此基礎(chǔ)上對(duì)其單粒子效應(yīng)敏感因素開展了研究,提出了抗單粒子效應(yīng)建議.

2 模型建立與校準(zhǔn)

集成電路設(shè)計(jì)中有多種常見的集成電阻如多晶硅電阻、金屬電阻、阱電阻等等,它們的電學(xué)參數(shù)(方阻、溫度系數(shù)和電壓系數(shù))不同,各自的優(yōu)缺點(diǎn)明顯.多晶硅電阻精度較高,電阻值對(duì)溫度和電壓的敏感性較小,但其方阻較小.金屬電阻是所有集成電阻中方阻最小的電阻,通常用它來做其他電阻無法完成的小電阻.阱電阻受溫度、電壓、光照、輻射因素影響較大,它的優(yōu)點(diǎn)在于具有較高的阻抗,達(dá)到同樣的電阻值所需要的電路版圖面積小,因此阱電阻通常被應(yīng)用于需要高電阻值的電路中.阱電阻有N 阱電阻和P 阱電阻兩種,本文以試驗(yàn)[7]中發(fā)現(xiàn)的N 阱電阻為研究對(duì)象進(jìn)行說明.N 阱電阻的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1(b)所示,由P 襯底、N 阱以及輸入端和輸出端的電極構(gòu)成,P 型區(qū)和N 型區(qū)之間形成熱平衡PN 結(jié).工作時(shí)電流從器件輸入端流入從輸出端流出,P 襯底接地.

根據(jù)圖1(b)中電阻的結(jié)構(gòu)示意圖,分別建立了N 阱電阻的二維和三維器件模型,如圖2 所示.在實(shí)際的集成電阻中,電阻兩端通過金屬電極(通常為鋁)給電阻施加偏置,金屬電極與硅材料形成歐姆接觸,接觸可視為一個(gè)純電阻,整個(gè)電阻為電極接觸電阻和N 阱電阻組成的串聯(lián)電阻總和.為了簡化模型,金屬材料并未添加在電極上.模型由硅材料構(gòu)建,分別對(duì)襯底區(qū)域和阱區(qū)域進(jìn)行了均勻的P 型摻雜(硼摻雜)和N 型摻雜(磷摻雜).圖2中三維模型的建立是為了對(duì)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的三維電阻的單粒子效應(yīng)進(jìn)行定量地計(jì)算仿真,為了保證計(jì)算精度,模型中的網(wǎng)格劃分必須細(xì)密,這導(dǎo)致三維模型中的節(jié)點(diǎn)眾多,需要大量的仿真時(shí)間.因此建立了二維器件模型,二維模型的計(jì)算速度較快,雖然僅考慮了兩個(gè)維度的因素,無法定量計(jì)算器件的實(shí)際工作結(jié)果,但在這兩個(gè)維度內(nèi)可以定性地揭示N 阱電阻的單粒子效應(yīng)機(jī)理.

圖2 N 阱電阻TCAD 模型示意圖 (a)二維模型;(b)三維模型Fig.2.The diagram of N well resistor TCAD model: (a) Twodimension model;(b) three-dimension model.

在建立模型之后,需要對(duì)模型的網(wǎng)格劃分進(jìn)行優(yōu)化來保證模型的準(zhǔn)確性和運(yùn)行速度.通過網(wǎng)格優(yōu)化發(fā)現(xiàn)N 阱結(jié)構(gòu)部分的網(wǎng)格密度對(duì)仿真結(jié)果的影響較大,而P 襯底部分的網(wǎng)格密度對(duì)仿真結(jié)果影響較小,因此N 阱部分需要細(xì)密的網(wǎng)格劃分以確保計(jì)算精度,而襯底部分的網(wǎng)格劃分可適當(dāng)放寬以提高計(jì)算速度,節(jié)約計(jì)算時(shí)間,最終優(yōu)化后的三維模型網(wǎng)格劃分如圖2(b)中的左上角所示.二維模型的網(wǎng)格劃分策略同樣如此,圖中并未再次展示.

為了驗(yàn)證上述網(wǎng)格優(yōu)化的合理性和模型的準(zhǔn)確性,對(duì)比了本文模型和其他參考文獻(xiàn)中N 阱電阻的電阻值.本文模型的電阻值是基于歐姆定律計(jì)算得到,具體操作為在輸入端施加一個(gè)逐漸增大的電壓,固定模型輸出端的電壓為零,觀察輸出端電流隨輸入電壓變化的情況,其結(jié)果如圖3 所示,在電壓較小的情況下,輸出端的電流隨著輸入端電壓的提高線性增大.文獻(xiàn)[11]中利用Matlab 工具根據(jù)N 阱和P 襯底之間空間電荷區(qū)的厚度精確計(jì)算了N 阱電阻在不同摻雜濃度、不同尺寸下的一系列電阻值,而本文則基于歐姆定律同樣計(jì)算了不同摻雜濃度和不同尺寸下的模型電阻值.表1 中展示了本文模型的電阻值和文獻(xiàn)[11]中電阻值的對(duì)比情況.從表1 可以看出,盡管仿真工具和計(jì)算原理不同,但得到的電阻值表現(xiàn)出良好的一致性,這驗(yàn)證了本文三維模型的準(zhǔn)確性.注: 輸入電壓為3 V,N阱和P襯底的摻雜濃度為5×1016cm3,長度為100 μm.

圖3 N 阱電阻輸出電流隨輸入電壓的變化情況Fig.3.The output current versus the input voltage of the N-well resistor.

表1 本文模型電阻值與文獻(xiàn)[11]中模型電阻值的比較Table 1.The comparison of calculated resistance values in this paper and results in Ref.[11].

3 阱電阻的單粒子效應(yīng)及其機(jī)理分析

在模型校準(zhǔn)之后,為了使仿真研究更具有現(xiàn)實(shí)意義,模型中盡量采用了試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的N 阱電阻實(shí)際參數(shù).電阻的長和寬可以在電子顯微鏡下通過直接測(cè)量得到,而實(shí)際的摻雜濃度較難測(cè)量,因此在仿真中通過不斷調(diào)整模型中的摻雜濃度,最終選用的摻雜濃度參數(shù)可使模型電阻值等于單個(gè)N 阱電阻的實(shí)際值(7.5 kΩ).模型所采用的其他參數(shù)如表2 所示,其中所選用的N 阱和P 襯底深度均為半導(dǎo)體中常用的工藝參數(shù)[11,17].

表2 TCAD 模型中所使用的具體參數(shù)Table 2.Detailed parameters used in TCAD models.

在模型校準(zhǔn)階段,為了簡化計(jì)算將輸出端的電壓定義為零.但是在實(shí)際的應(yīng)用過程中電阻兩端的電壓情況比較復(fù)雜,輸出端的電壓可能為零也可能不為零.如電路中常見的上拉電阻和下拉電阻,其作用就是將不確定的信號(hào)保持在高電平(通常為電源電壓)和低電平(0 V).因此,為了研究單粒子效應(yīng)對(duì)不同工作狀態(tài)下N 阱電阻的影響,本節(jié)設(shè)置了不同的輸出端電壓.模型的輸入電壓設(shè)為3.3 V,即試驗(yàn)[7]中器件的工作電壓,輸出電壓分別設(shè)置為0,1.3,2.3 和3.3 V.然后,從模型表面的中間位置入射一個(gè)重離子,觀察重離子入射后N阱電阻輸出電流的變化.入射重離子選用了試驗(yàn)中所用的86Kr25+離子,該重離子的LET 值為37.6 MeV·cm2/mg,在硅材料中的穿透深度為57.5 μm.三維模型的仿真結(jié)果如圖4 所示,在離子入射之前N 阱電阻的輸出電流穩(wěn)定在一個(gè)特定值,當(dāng)重離子入射后,輸出端出現(xiàn)了一個(gè)瞬態(tài)電流脈沖.N 阱電阻在不同輸出端電壓下產(chǎn)生的瞬態(tài)電流具體信息如表3 所示.表3 中瞬態(tài)電流的積分電荷遠(yuǎn)比單個(gè)重離子在阱結(jié)構(gòu)中電離的總電荷量多,重離子對(duì)阱電阻的擾動(dòng)不僅僅為過剩載流子的收集[18?20].因此接下來根據(jù)阱電阻內(nèi)載流子在重離子入射前后不同時(shí)刻內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況對(duì)器件的單粒子效應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了分析.

圖4 在不同輸出電壓下,重離子在三維N 阱電阻模型中產(chǎn)生的瞬態(tài)電流Fig.4.Ion-induced transient current in the three-dimensional model of N-well resistor under different output voltage.

表3 不同輸出端電壓下,重離子在N 阱電阻三維模型中產(chǎn)生的瞬態(tài)電流參數(shù)Table 3.Detailed parameters of ion-induced transient current in three-dimension model under different output voltage.

首先討論輸出端電壓為3.3 V 的情況,當(dāng)N 阱電阻的輸入和輸出電壓均為3.3 V 時(shí),N 阱電阻中幾乎沒有電流通過.由于N 阱結(jié)構(gòu)的電壓高于P 襯底電壓,PN 結(jié)處于反向偏壓狀態(tài),勢(shì)壘高度增大,耗盡區(qū)(空間電荷區(qū))的寬度增大,如圖5(a)所示.由于空間電荷區(qū)的電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電中性區(qū)(即遠(yuǎn)離PN 結(jié)的P 型區(qū)和N 型區(qū))[21],這正是阱電阻具有高阻抗的原因.反偏PN 結(jié)是N 阱電阻高阻抗的來源,當(dāng)阱電阻中未形成反偏PN 結(jié)時(shí),電阻僅為摻雜硅材料的本征電阻,幾乎可以忽略.當(dāng)重離子入射到N 阱電阻后,沿著其入射徑跡在硅材料中電離出大量電子-空穴對(duì).這些電子-空穴對(duì)的濃度遠(yuǎn)高于N 阱的摻雜濃度,重離子徑跡附近的耗盡層被中和而消失,如圖5(b)所示.耗盡層的消失使電阻阻抗瞬間降低、電流迅速增大.隨著重離子引入的非平衡載流子在橫向徑跡內(nèi)漂移、擴(kuò)散,被中和的耗盡層面積逐漸增大、輸出電流也進(jìn)一步增大,如圖5(c)所示.最后,隨著N 阱結(jié)構(gòu)中過剩載流子的收集,載流子的濃度逐漸降低、耗盡層逐漸恢復(fù),如圖5(d)所示,輸出電流也逐漸降低直至恢復(fù)至正常值.

圖5 輸出電壓為3.3 V 時(shí),不同時(shí)刻內(nèi)N 阱電阻內(nèi)空間電荷區(qū)分布 (a) 0 ns;(b) 0.1 ns;(c) 0.6 ns;(d) 5 nsFig.5.When output voltage of model is 3.3 V,the space charge distribution in N well resistor at : (a) 0 ns;(b) 0.1 ns;(c) 0.6 ns;(d) 5 ns.

從表3 中得知,當(dāng)輸出端電壓為3.3 V 時(shí),單粒子效應(yīng)在三維模型中產(chǎn)生的瞬態(tài)電流持續(xù)時(shí)間為17.90 ns,電流峰值為0.25 mA,積分電荷為3.03 pC.然而當(dāng)輸出端電壓降低為0 V 時(shí),單粒子效應(yīng)產(chǎn)生的瞬態(tài)電流持續(xù)時(shí)間、電流峰值及積分電荷分別增至63.2 ns,0.81 mA 和51.56 pC,重離子入射對(duì)N 阱電阻產(chǎn)生的影響顯著惡化.為了揭示這種現(xiàn)象背后的物理機(jī)制,在二維模型中分別提取了不同時(shí)間內(nèi),深度為2 μm 處的位置上電場(chǎng)強(qiáng)度隨N 阱電阻長度分布的情況,結(jié)果如圖6 所示.當(dāng)輸出端電壓和輸入端電壓相同時(shí)(3.3 V),在重離子入射之前(t=0 時(shí)),N 阱結(jié)構(gòu)在長度方向上不會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng),如圖6(a)中的黑色曲線所示.重離子在0.05 ns 時(shí)刻入射到N 阱電阻中,當(dāng)時(shí)間為0.1 ns 時(shí),重離子在其入射徑跡內(nèi)產(chǎn)生了大量的電子-空穴對(duì),電場(chǎng)強(qiáng)度增大.電子-空穴對(duì)濃度沿著離子入射徑跡半徑方向逐漸降低、電場(chǎng)強(qiáng)度也隨之降低,由于86Kr25+離子徑跡中心部分的能量密度低,電場(chǎng)強(qiáng)度在徑跡中心位置(L為12.5 μm 處)出現(xiàn)了下凹.最后隨著過剩載流子的收集過程,N 阱結(jié)構(gòu)中的橫向電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸下降,分別圖6(a)中t=0.6 ns 和t=5 ns 時(shí)的電場(chǎng)分布所示,最終電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)降為零.

圖6 兩種不同電壓條件下,N 阱結(jié)構(gòu)中深度為2 μm 處的位置上橫向電場(chǎng)強(qiáng)度在不同時(shí)刻的分布情況 (a) 輸出端電壓為3.3 V;(b) 輸出端電壓為0 VFig.6.The distribution of transverse electric field in N well structure at depth of 2 μm location: (a) Output voltage is 3.3 V;(b) output voltage is 0 V.

當(dāng)輸出端的電壓與輸入端電壓不相同時(shí),N 阱結(jié)構(gòu)在長度方向產(chǎn)生了電壓降.以輸出端電壓為0 V 的狀態(tài)進(jìn)行說明,N 阱結(jié)構(gòu)中電場(chǎng)強(qiáng)度隨長度的分布如圖6(b)中的黑色曲線所示,電場(chǎng)方向由輸入端指向輸出端.重離子入射N 阱電阻后,產(chǎn)生高濃度過剩載流子.由于輸入端電場(chǎng)的影響,重離子入射徑跡兩端的電子不再對(duì)稱分布,徑跡左側(cè)的電子濃度高于右側(cè),進(jìn)而導(dǎo)致徑跡左側(cè)的電場(chǎng)強(qiáng)度顯著高于右側(cè)的電場(chǎng)強(qiáng)度,如圖6(b)中時(shí)間為0.1 ns 的紅色曲線所示.最后,隨著N 阱結(jié)構(gòu)中過剩載流子的收集,電子濃度降低,電場(chǎng)強(qiáng)度隨之降低.在完全恢復(fù)至重離子未入射的狀態(tài)之前,徑跡左側(cè)的電場(chǎng)強(qiáng)度始終高于右側(cè)的電場(chǎng)強(qiáng)度,如圖6(b)中時(shí)間為0.6 ns 和5.0 ns 時(shí)的電場(chǎng)分布曲線所示.

N 阱結(jié)構(gòu)中橫向電場(chǎng)的改變顯著影響了重離子產(chǎn)生的過剩載流子的收集過程.當(dāng)N 阱結(jié)構(gòu)中無橫向電場(chǎng)(即輸出端電壓為3.3 V)時(shí),重離子產(chǎn)生的載流子在長度方向沿著入射徑跡對(duì)稱分布,徑跡左側(cè)電子向輸入端漂移,徑跡右側(cè)電子向輸出端漂移,整個(gè)載流子的收集過程(即瞬態(tài)電流的持續(xù)時(shí)間)僅需要17.90 ns (表3).當(dāng)輸出端電壓為0 V時(shí),在重離子入射前,N 阱結(jié)構(gòu)中的電子在輸入端電場(chǎng)的作用下向輸入端漂移,電流方向從輸入端指向輸出端.在靠近輸入電極的位置電場(chǎng)強(qiáng)度增大,電子的移動(dòng)速度隨之增大,如圖7(a)所示.當(dāng)重離子入射產(chǎn)生高濃度載流子后,N 阱結(jié)構(gòu)中的電場(chǎng)強(qiáng)度增大,電子的漂移速度也隨之增大.N 阱結(jié)構(gòu)中電子漂移速度的變化和圖6 中電場(chǎng)強(qiáng)度的變化情況保持一致,重離子入射徑跡左側(cè)的電子漂移速度始終高于右側(cè)的電子.當(dāng)重離子入射徑跡右側(cè)的電場(chǎng)低于重離子入射前的電場(chǎng)時(shí)(如圖6 中t=0.6 ns 和t=5.0 ns),徑跡右側(cè)的電子速度明顯低于左側(cè),如圖7(c)—(e)所示.這導(dǎo)致徑跡右側(cè)電子的收集效率遠(yuǎn)低于徑跡左側(cè),過剩載流子的收集過程需要花費(fèi)更多的時(shí)間.從表3 中可知,當(dāng)輸出電壓為0 V 時(shí),載流子的收集過程需花費(fèi)63.2 ns,但是圖4 中Vout=0 V 的瞬態(tài)電流在4.44 ns 就達(dá)到峰值,后續(xù)58.76 ns 的時(shí)間內(nèi)輸出電流均處于下降趨勢(shì).這是由于輸出電流的上升階段對(duì)應(yīng)著N 阱電阻中耗盡層的破壞過程,而輸出電流的下降階段則對(duì)應(yīng)著耗盡層的恢復(fù)過程.如圖8 所示,在重離子入射N 阱電阻后,提供高阻抗的空間電荷區(qū)被破壞.隨著重離子引入的非平衡載流子漂移、擴(kuò)散,被中和的空間電荷區(qū)區(qū)域逐漸增大,輸出電流也進(jìn)一步增大.輸出電流在4.4 ns 達(dá)到峰值,此時(shí)除了輸入端附近,N 阱電阻中的耗盡層幾乎完全消失,如圖8(d)所示.這是由于輸入端附近的電場(chǎng)較強(qiáng)、電子的收集效率高、過剩載流子濃度低導(dǎo)致.此后,隨著N 阱結(jié)構(gòu)中過剩載流子的收集,空間電荷區(qū)逐漸恢復(fù),N 阱電阻中的阻抗逐漸增大、輸出電流也逐漸降低,最終恢復(fù)至正常值.

圖7 輸出電壓為0 V 時(shí),不同時(shí)刻內(nèi)N 阱中電子速度分布 (a) 0 ns;(b) 0.1 ns;(c) 0.6 ns;(d) 5 ns;(e) 15 ns ;(f) 30 nsFig.7.When output voltage is 0 V,the distribution of electron velocity in N well structure at: (a) 0 ns,(b) 0.1 ns,(c) 0.6 ns,(d) 5 ns,(e) 15 ns and (f) 30 ns moment.

圖8 輸出電壓為0 V 時(shí),不同時(shí)刻內(nèi)N 阱電阻中空間電荷區(qū)的變化 (a) 0 ns;(b) 0.1 ns;(c) 0.6 ns;(d) 5 ns;(e) 15 ns ;(f) 30 nsFig.8.When output voltage is 0 V,the change of space charge region in N well structure at (a) 0 ns,(b) 0.1 ns,(c) 0.6 ns,(d) 5 ns,(e) 15 ns,(f) 30 ns moment.

重離子入射到其他常見的晶體管[1?4]中也會(huì)使器件產(chǎn)生瞬態(tài)電流,但是這些器件中瞬態(tài)電流的持續(xù)時(shí)間僅為數(shù)納秒,重離子在N 阱電阻中產(chǎn)生的瞬態(tài)電流持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)超過有源器件和數(shù)字電路[22]中的瞬態(tài)電流.這與N 阱電阻的長寬比有關(guān),在電路設(shè)計(jì)中集成電阻的電阻值R由其尺寸和電阻率ρ所決定,如(1)式所示:

式中,L,W,S分別為電阻的長、寬和表面積,ρsh為集成電阻的方阻.由此可見,為了得到更大的電阻值,除了選用方阻大的電阻外,較大的長寬比也極為重要,所以集成電路設(shè)計(jì)中的電阻通常會(huì)設(shè)計(jì)成狹長的長方體,如圖1(a)所示.但過大的長寬比一方面會(huì)增大過剩載流子的漂移距離,另一方面會(huì)降低N 阱結(jié)構(gòu)中的電場(chǎng)強(qiáng)度.如在文獻(xiàn)[3,23]中器件內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度在105—106V/cm 范圍內(nèi),而本模型中的電場(chǎng)強(qiáng)度僅在103—104V/cm 內(nèi),這使得過剩載流子只能以較低的漂移速度被收集.因此,單粒子效應(yīng)對(duì)N 阱電阻產(chǎn)生的影響要大于在其他器件中的影響.

上述分別討論了當(dāng)輸出電壓為0 V 和3.3 V時(shí),N 阱電阻中的單粒子效應(yīng)機(jī)理,輸出電壓介于二者之間的瞬態(tài)電流及物理過程也介于上述兩種情況之間.輸出電壓為0 V 是N 阱電阻對(duì)單粒子效應(yīng)最惡劣的工作狀態(tài),因此,集成電路中輸出端接地的下拉電阻受單粒子效應(yīng)的影響最大.此外,當(dāng)一個(gè)固定值的電阻接入電路后,在輸入端電壓固定的情況下輸出端的電壓實(shí)際上是由電路中的電流決定的.電路中的電流增大后,電阻中產(chǎn)生的電壓降也隨之提高、輸出端的電壓降低.因此,從上述研究結(jié)果中也可以看出單粒子效應(yīng)對(duì)應(yīng)用于高電流電路中的N 阱電阻產(chǎn)生的影響更大.

4 阱電阻單粒子效應(yīng)敏感參數(shù)

從上述N 阱電阻的單粒子效應(yīng)機(jī)理可以看出,重離子在N 阱電阻中產(chǎn)生的電流脈沖與N 阱電阻的幾何尺寸、電場(chǎng)的強(qiáng)度、入射重離子電離出的載流子濃度及產(chǎn)生位置密切相關(guān).因此接下來在三維模型中分別對(duì)器件的瞬態(tài)電流與重離子入射位置的依賴性、重離子LET 值的依賴性、器件尺寸和輸入電壓的依賴性進(jìn)行了研究,并提出了一些抗單粒子效應(yīng)加固建議.需要補(bǔ)充的是,模型輸出端的電壓固定為0 V,讓N 阱電阻處于最惡劣工作條件下進(jìn)行討論.

4.1 入射位置的依賴性

重離子的入射位置決定了N 阱結(jié)構(gòu)中非平衡載流子的產(chǎn)生位置,也會(huì)影響過剩載流子的漂移距離和電荷收集時(shí)間.圖4 中的電流瞬態(tài)是由86Kr25+離子從N 阱電阻表面的中間位置處入射導(dǎo)致的,當(dāng)該離子分別從長度為4,8,16,20 μm 的位置入射到N 阱電阻中,得到的單粒子瞬態(tài)電流如圖9所示.從圖9 可知,重離子的入射位置越靠近輸入端,器件中產(chǎn)生的瞬態(tài)電流峰值越大、脈沖持續(xù)時(shí)間越短.這是因?yàn)楦邼舛入娮?空穴對(duì)越靠近輸入端,輸入端電場(chǎng)對(duì)N 阱結(jié)構(gòu)的影響區(qū)域越小,即圖8(d)中未被中和的耗盡層面積越小,N 阱電阻的阻抗越小、輸出電流越大.但是在過剩載流子的收集過程中,電子的漂移距離減小、漂移速度提高、器件內(nèi)耗盡層的恢復(fù)過程加快.在重離子產(chǎn)生的非平衡載流子濃度不變的情況下,電子收集效率提高、瞬態(tài)電流的脈沖時(shí)間縮短.

圖9 重離子從不同位置入射N 阱電阻產(chǎn)生的單粒子瞬態(tài)電流Fig.9.Single event transient current in N-well resistor generated by ion from different incident locations.

4.2 重離子LET 的依賴性

重離子在材料中產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)濃度是由重離子LET 值和入射深度決定的,由于N 阱電阻的阱深較淺,在不考慮金屬布線層的阻擋情況下,大部分重離子均能穿透N 阱結(jié)構(gòu),因此主要針對(duì)重離子的LET 值進(jìn)行研究.為評(píng)估N 阱電阻在單粒子效應(yīng)試驗(yàn)中常見重離子輻照下的表現(xiàn),仿真中采用地面模擬試驗(yàn)裝置中常用的5 種不同表面LET值的重離子,分別為1.73 MeV·cm2/mg 的12C6+、4.06 MeV·cm2/mg 的19F9+、11.8 MeV·cm2/mg 的32S10+、18.7 MeV·cm2/mg 的40Ca9,13+、65.6 MeV·cm2/mg 的127I15+.重離子從器件中間位置入射,輸出電流結(jié)果如圖10 所示,LET 值越高的重離子在硅材料中電離出的載流子濃度越高,耗盡層被破壞的面積越大,瞬態(tài)電流的峰值越高.另外,高濃度過剩載流子被收集所花費(fèi)的時(shí)間越長,瞬態(tài)電流的持續(xù)時(shí)間也隨之增加.

圖10 不同LET 值的重離子在N 阱電阻中產(chǎn)生的瞬態(tài)電流Fig.10.Single event transient current in N-well resistor generated by ions with different LET values.

4.3 幾何尺寸和工作狀態(tài)的依賴性

以上探討了入射離子參數(shù)對(duì)阱電阻單粒子效應(yīng)的影響,這些因素是由器件的外部應(yīng)用環(huán)境所決定.為了探討是否可以從阱電阻本身的設(shè)計(jì)及應(yīng)用上改善器件的單粒子效應(yīng)性能,接下來在入射離子不變的情況下,開展了針對(duì)阱電阻自身幾何尺寸、輸入電壓等因素對(duì)其單粒子效應(yīng)影響的研究.

在幾何尺寸方面,從(1)式可知在電路設(shè)計(jì)中通過改變電阻的長寬比可以獲得想要的電阻值.在目前的工藝中阱電阻的寬度已經(jīng)很小,通常為2 μm,因此更多根據(jù)阱電阻的長度設(shè)計(jì)電阻值.圖8 中展示了將長度擴(kuò)大1 倍后,N 阱電阻對(duì)入射重離子的響應(yīng).86Kr25+離子仍然從器件表面中間位置入射,其參數(shù)與第3 節(jié)工作的描述相同,圖8 中的單粒子瞬態(tài)電流對(duì)阱電阻的長度進(jìn)行了歸一化處理.在輸入端電壓不變的情況下,當(dāng)電阻的長度擴(kuò)大1 倍后,電阻值增長1 倍、單位長度上的穩(wěn)態(tài)電流降低1/2.為了體現(xiàn)重離子入射對(duì)器件電流造成的擾動(dòng)程度,定義瞬態(tài)電流的峰值與穩(wěn)態(tài)電流的比值為擾動(dòng)因子,擾動(dòng)因子越大表明重離子導(dǎo)致的瞬態(tài)峰值電流超過穩(wěn)態(tài)電流的程度越大.圖11 中的結(jié)果表明N 阱電阻的長度擴(kuò)大1 倍后,瞬態(tài)電流的擾動(dòng)因子從1.84 增大到2.46.此外由于長度增加,重離子產(chǎn)生的載流子被輸運(yùn)到輸入端的距離增加,載流子的收集過程更加緩慢.對(duì)重離子在電阻中產(chǎn)生的瞬態(tài)電流進(jìn)行積分后,得到長度為24 μm 的N 阱電阻在86Kr25+離子從中間位置入射后得到的積分電荷為7.28 pC,而長度增大1 倍后器件內(nèi)得到的積分電荷增大值17.19 pC.因此盡管增加N 阱電阻的長度可以提高電阻值,但其單粒子效應(yīng)敏感性也隨之增大.單粒子效應(yīng)對(duì)N 阱電阻造成的擾動(dòng)(無論是電流峰值的擾動(dòng)還是持續(xù)時(shí)間的擾動(dòng))都隨器件長度的增大而提高.出于抗單粒子效應(yīng)的考慮,在版圖設(shè)計(jì)中阱電阻的長度不宜過長.

圖11 不同長度的N 電阻中產(chǎn)生的歸一化單粒子瞬態(tài)電流Fig.11.Normalization single event transient current generated in N-well resistors with different lengths.

圖12 中展示了在不同輸入電壓下N 阱電阻單粒子瞬態(tài)電流的對(duì)比,在輸出端電壓不變的情況下,器件中的電流隨輸入端電壓的提高而增加.當(dāng)輸入電壓為1 V 時(shí),瞬態(tài)電流的擾動(dòng)因子為3.1,積分電荷為11.98 pC.當(dāng)輸入電壓增長至5 V 后,瞬態(tài)電流的擾動(dòng)因子降至1.75,積分電荷降低為8.71 pC.該結(jié)果表明提高輸入端電壓后,單粒子效應(yīng)對(duì)N 阱電阻的影響明顯降低.這是因?yàn)檩斎腚妷禾岣吆?阱結(jié)構(gòu)內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度增加、過剩載流子的收集效率提高、耗盡層的恢復(fù)時(shí)間縮短導(dǎo)致.因此,當(dāng)N 阱電阻應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)能力低的電路中,器件的單粒子效應(yīng)敏感性提高.

圖12 不同輸入電壓下的N 阱電阻產(chǎn)生的單粒子瞬態(tài)電流Fig.12.Single event transient current generated in N-well resistors under different input voltage.

5 結(jié)論

本文基于試驗(yàn)中的發(fā)現(xiàn),指出N 阱電阻作為電路系統(tǒng)中的常用組件對(duì)單粒子效應(yīng)尤為敏感.N 阻電阻依靠反向偏壓下阱與襯底之間形成的空間電荷區(qū)為電路提供大阻抗,但單粒子效應(yīng)在材料電離出的高濃度載流子會(huì)中和N 阱電阻的空間電荷區(qū),導(dǎo)致電阻的阻抗降低,器件中出現(xiàn)瞬態(tài)電流.當(dāng)N 阱電阻應(yīng)用于低電流的電路中,單粒子效應(yīng)對(duì)其產(chǎn)生的影響明顯增大.輸入端接電源電壓、輸出端接地是N 阱電阻對(duì)單粒子效應(yīng)最惡劣的工作狀態(tài).由于N 阱電阻采用較大的長寬比設(shè)計(jì)導(dǎo)致器件中的電場(chǎng)強(qiáng)度低、非平衡載流子收集效率低,最終使得N 阱電阻中產(chǎn)生的瞬態(tài)電流持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)大于重離子在晶體管等其他有源器件中產(chǎn)生的電流.此外,重離子從N 阱電阻中的不同位置入射對(duì)器件造成的影響不同,從靠近輸入端的位置入射,耗盡層的破壞程度最嚴(yán)重,但是電荷收集效率更高、載流子達(dá)到平衡狀態(tài)的時(shí)間更短,表現(xiàn)在瞬態(tài)電流上為高電流峰值、低脈寬.不同LET 值的重離子對(duì)器件輸出電流的擾動(dòng)程度也不同,低LET值的重離子在器件內(nèi)產(chǎn)生的載流子濃度低,瞬態(tài)電流的持續(xù)時(shí)間和峰值也隨之降低.從阱電阻的幾何尺寸和輸入電壓對(duì)其單粒子效應(yīng)開展研究,發(fā)現(xiàn)器件長度的增加固然會(huì)提高電阻值,但其單粒子效應(yīng)敏感性也隨之增加,因此在抗輻射電路設(shè)計(jì)中應(yīng)避免使用過長的阱電阻.此外,當(dāng)N 阱電阻應(yīng)用在驅(qū)動(dòng)能力高的電路中,瞬態(tài)電流的峰值和持續(xù)時(shí)間都會(huì)降低,單粒子效應(yīng)的擾動(dòng)減弱.總而言之,雖然N 阱電阻的結(jié)構(gòu)簡單但其應(yīng)用廣泛,N 阱電阻的單粒子效應(yīng)值得更多關(guān)注,在針對(duì)輻射環(huán)境應(yīng)用背景進(jìn)行抗輻射集成電路設(shè)計(jì)時(shí),N 阱電阻的使用仍然需要慎重.