纳米SOI FinFET的单粒子辐射损伤机理，可靠性表征方法与耦合模型研究

The project investigates the generating mechanism and impact factors of the single event effects in the novel SOI FinFET devices and proposes the reinforcement method of the SOI FinFETs resistance to single event effects. The generating process and the basic physical mechanism of the single event transient current caused by the heavy ions are investigated. The single event transient currents in SOI FinFETs at different injected locations and values of drain bias are comparatively analyzed.The the physical process of the generation and disappearance for different charges collecting methods of the single event effects is defined. The coupling radiation effects of the single event and total dose are investigated by analyzing the coupling effect of the total dose and single event effects. The upset threshold and other key parameters of SRAM are obtained by researching the single event effects of SRAM. The physical model of radiation damage whose model error is less than 8% is established by comparing the simulation with experimental results of the single event effects in nano-scale SOI and analyzing the radiation failure mechanism of the new structure devices.Research findings can be directly applied to enhance the reliability and resistance to radiation of nanometer SOI FinFETs, providing the theoretical basis and reliability characterizing methods for designing and reinforcing the resistance to single event effects of the circuits. 15 papers will be published in the leading journals at home and abroad, 3 national patents will be invented, 6 doctoral and 6 graduate students will get their Phd degree and master degree at the end of the project.

项目研究新型SOI FinFET器件的单粒子效应产生机理与影响因素，提出SOI FinFET抗单粒子效应加固方法。研究SOI FinFET中，重离子导致的单粒子瞬态电流的产生过程和基本物理机制。对比分析不同注入位置和漏极电压偏置下SOI FinFET单粒子瞬态电流，明确单粒子效应的不同电荷收集方式在器件中产生和消失的物理过程。通过分析总剂量和单粒子效应的耦合效应，实现单粒子和总剂量的耦合辐射效应研究。研究SRAM的单粒子效应，得到SRAM的翻转阈值等关键参数。对比纳米级SOI 单粒子效应的仿真和实验结果，分析新结构器件的辐射失效机理，建立辐射损伤的物理模型，模型误差<8%。研究成果可直接应用于纳米SOI FinFET可靠性提升和辐射损伤防护中，为纳米工艺抗单粒子效应器件电路设计加固提供理论基础和可靠性表征方法。拟在国内外重要期刊发表论文15篇，国家发明专利3项，培养博士生6名，硕士生6名。

与传统工艺相比，SOI FinFET具有低功耗、集成度高、栅控能力强、性能稳定等优点，SOI衬底更是有效减小了器件的敏感体积，在抗辐照加固方面具有更好的研究前景。本文的主要研究成果如下：.首先，对28nm SOI FinFET器件进行三维建模，仿真其在单粒子辐照作用下的电学特性变化趋势。分别研究漏电压，重离子入射深度，LET值，重离子入射位置以及重离子入射方向对SOI FinFET器件单粒子瞬态的影响。并通过对碰撞电离率、SRH复合率、双极放大增益以及沟道电势的变化解释造成单粒子瞬态的机理。仿真结果表明，单粒子辐射导致大量的电子-空穴对注入并积累，造成沟道电势升高，使寄生双极晶体管导通；当注入载流子浓度过大时，会造成沟道-漏P-N结电场塌陷，源漏区发生穿通，导致寄生双极晶体管工作在饱和区，双极放大增益消失，碰撞电离减小。因此，漏端瞬态电流和收集电荷才会随着漏区偏压增大、重离子入射深度增加、LET值增大而不断增大。并且通过仿真发现，SOI FinFET对单粒子辐照的敏感区域为沟道-漏P-N结处，随着入射位置靠近沟道-漏P-N结漏端瞬态电流和收集电荷明显增大。最后，还发现重离子垂直器件入射比水平入射对器件电学特性影响更大。.其次，通过改变SOI FinFET器件尺寸参数，研究尺寸的缩小对单粒子辐照敏感程度的变化趋势，并提出抗单粒子的加固方法。研究结果为：随着Fin宽度和高度的缩小，由于辐照敏感区域的减小以及积累电荷量的减小，同时栅对沟道的控制能力加强，导致漏端瞬态电流和收集电荷都会减小；相反，随着栅长的缩小，SOI FinFET器件对单粒子效应会变得更加敏感，漏端瞬态电流和收集电荷都会增大。SOI FinFET器件对单粒子辐照的敏感程度依赖于栅对于沟道的控制能力和沟道-漏P-N结的截面积。因此减小Fin宽、Fin高，增大栅长可以有效改善SOI FinFET器件的抗单粒子辐照能力。.最后，将仿真所用的SOI FinFET模型搭建成SRAM单元电路，进行单粒子辐照的混合电路级仿真，讨论不同LET值和不同入射位置对SRAM单元翻转特性的影响，分析得到：对于SOI FinFET SRAM单元来说，是否发生单粒子翻转(SEU)取决于两个参数是否超过翻转临界值：一是重离子入射后产生的瞬态电流的峰值，二是节点的收集电荷量。