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一种单粒子辐照引入的涨落的表征方法及应用

阅读：218发布：2021-06-06

专利汇可以提供一种单粒子辐照引入的涨落的表征方法及应用专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种单粒子辐照引入的涨落的表征方法及应用，通过测试提取单粒子辐照前后多个不同尺寸器件的阈值电压分布，获得单粒子辐照引起的阈值电压涨落，进而对工艺涨落模型进行修正，修正辐射环境下工作的电路设计裕度要求。本发明计算方法简单，应用范围广，可以面向不同技术代和不同辐射环境应用需求，修正辐射环境下工作的电路设计裕度要求，提高纳米级集成电路在辐射环境下工作的可靠性。，下面是一种单粒子辐照引入的涨落的表征方法及应用专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种单粒子辐照在器件中引入的涨落的表征方法，包括如下步骤：
1)针对待评估技术代器件的具体应用需求，预估其全寿命周期内单粒子辐射总通量和粒子类型；
2)选取多个不同尺寸的待评估技术代器件，测试辐照前器件转移特性曲线(ID～VG)pre；
3)对所有器件进行单粒子辐照实验，并测试辐照后器件转移特性曲线(ID～VG)post；
4)提取辐照前后器件阈值电压，计算各个尺寸器件阈值电压标准差σΔVT；
5)绘制辐照前后阈值电压涨落Pelgrom图，即图，其中W为器件等效栅宽，L为
器件等效栅长；
6)根据Pelgrom图，计算单粒子辐照在待评估技术代器件中引起的涨落σSEE(WL)。
2.如权利要求1所述的表征方法，其特征在于，所述单粒子选自下列粒子中的一种或多种：重离子、质子、中子、电子、π介子、μ介子、α粒子。
3.如权利要求1所述的表征方法，其特征在于，步骤2)选取的器件数量大于30个。
4.如权利要求1所述的表征方法，其特征在于，步骤3)单粒子辐照实验的粒子类型和辐照总通量由步骤1)预估的全寿命周期内单粒子辐射粒子类型和总通确定。
5.如权利要求1所述的表征方法，其特征在于，步骤4)采用恒定电流法或最大跨导法提取辐照前后器件阈值电压。
6.一种提高工作在辐射环境中的微电子器件和电路的可靠性的方法，根据权利要求1～5任一所述的表征方法获得单粒子辐照引入的涨落σSEE(WL)，利用其对器件的工艺涨落模型进行修正，得到考虑辐照引起的涨落后器件总的涨落σtotal＝σSEE+σPV，其中σPV为待评估技术代器件的初始工艺涨落；将总的涨落σtotal代入仿真，修正辐射环境中工作的电路设计裕度要求，提高器件和电路的工作可靠性。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所用的仿真方法是蒙特卡罗仿真或Hspice仿真。

说明书全文

一种单粒子辐照引入的涨落的表征方法及应用

技术领域

[0001] 本发明涉及一种单粒子辐照引入的涨落的表征方法，属于微电子器件可靠性领域。

背景技术

[0002] 随着集成电路技术的飞速发展，器件特征尺寸已缩小到纳米尺度。纳米级器件的涨落性成为了影响器件及电路特性的一个重要因素。以纳米级MOSFET为例，工艺波动引入的涨落会影响器件的性能。例如，MOS器件沟道中掺杂原子数量较少，杂质原子的数量、位置分布不同将为器件的阈值电压、开态电流等参数带来显著差异，这种随机涨落通常被称为随机掺杂涨落。此外，常见的涨落还包括线宽粗糙度、金属功函数涨落等。工艺涨落对器件特性的影响成为了纳米级集成电路设计重要的考量因素之一，需要留出合理的设计裕度以避免因为涨落导致的电路功能错误、可靠性降低甚至失效。

[0003] 此外，为了满足面向航天应用集成电路越来越高的性能要求，急需增强纳米级集成电路在辐射环境下工作的可靠性。工作在空间辐射环境中的微电子器件受到重离子、质子、中子等辐照后，会产生单粒子效应。一方面，带电粒子会在器件内部电离产生大量电子空穴对，这些电荷被电极吸收后形成单粒子瞬态电流，并在电路中形成瞬态脉冲，或在存储器单元阵列中形成单粒子翻转等瞬态效应。另一方面，带电粒子电离产生的电子空穴对可能被氧化层中的陷阱俘获从而产生微剂量效应，或者在半导体材料中产生位移损伤，它们都会导致器件直流特性发生退化，如阈值电压漂移等，引起集成电路失配增大、性能降低甚至功能失效。目前针对单粒子瞬态效应、微剂量效应和位移损伤已有大量深入的研究，然而单粒子对器件涨落性的影响还不明确。

[0004] 由于单粒子入射具有随机性，且其辐射损伤具有局域性，因此单粒子辐照可能会对器件特性涨落产生影响，进而影响辐射环境下工作的集成电路设计裕度要求。目前在进行电路设计时没有考虑单粒子辐照引入的涨落，设计的电路可能会因为单粒子辐照引入的器件涨落而可靠性降低。因此，为了提高工作在空间辐射环境中的微电子器件和电路的可靠性，本发明提出一种单粒子辐照引入的涨落的表征方法，可以修正辐射环境下工作的电路设计裕度要求，提高电路工作可靠性。

发明内容

[0005] 为了提高工作在空间辐射环境中的微电子器件和电路的可靠性，本发明提出一种单粒子辐照引入的涨落的表征方法。本发明的技术方案如下：

[0006] 一种单粒子辐照引入的涨落的表征方法，其主要特征是，测试提取单粒子辐照前后多个不同尺寸器件的阈值电压分布，获得单粒子辐照引起的阈值电压涨落，进而对工艺涨落模型进行修正，修正辐射环境下工作的电路设计裕度要求。

[0007] 具体的，本发明提供的单粒子辐照在器件中引入的涨落的表征方法包括如下步骤：

[0008] 第一步，针对器件的具体应用需求，预估其全寿命周期内单粒子辐射总通量和粒子类型；

[0009] 第二步，针对待评估技术代器件，选取多个不同尺寸器件，测试辐照前器件转移特性曲线(ID～VG)pre；

[0010] 第三步，对第二步中的所有器件进行单粒子辐照实验，并测试辐照后器件转移特性曲线(ID～VG)post；

[0011] 第四步，提取辐照前后器件阈值电压，计算各个尺寸器件阈值电压标准差σΔVT；

[0012] 第五步，绘制辐照前后阈值电压涨落Pelgrom图其中W为器件等效栅宽，L为器件等效栅长；

[0013] 第六步，根据Pelgrom图，计算单粒子辐照在待评估技术代器件中引起的涨落σSEE(WL)。

[0014] 根据上述方法获得单粒子辐照引入的涨落σSEE(WL)后，可以利用它对工艺涨落模型进行修正，获得考虑辐照引起的涨落后器件总的涨落σtotal＝σSEE+σPV，其中σPV为待评估技术代器件的初始工艺涨落。将总的涨落σtotal代入仿真，获得修正后的辐射环境下工作的电路设计裕度要求，从而提高电路工作可靠性。

[0015] 在本发明的单粒子辐照引入的涨落的表征方法中，所述单粒子包括重离子、质子、中子、电子、π介子、μ介子、α粒子等。该方法适用的微电子器件包括传统平面体硅MOSFET、FinFET、纳米线和/或纳米片(Nanosheet)等逻辑器件、功率器件以及SiGe、Ge、GeSn、III-V族及其异质结构，以及其它新型沟道材料器件。

[0016] 在本发明的单粒子辐照引入的涨落的表征方法中，第二步选取的器件数量越多越好，一般大于30个。器件尺寸应该覆盖电路设计中用到的所有不同的器件尺寸。

[0017] 本发明的单粒子辐照引入的涨落的表征方法中，第三步单粒子辐照实验的粒子类型和总通量由第一步预估的全寿命周期内单粒子辐射粒子类型和总通量确定。

[0018] 本发明的单粒子辐照引入的涨落的表征方法中，第四步提取辐照前后器件阈值电压的方法可以是恒定电流法、最大跨导法等常规方法。

[0019] 利用本发明的单粒子辐照引入的涨落的表征方法对电路设计裕度要求进行修正时，所使用的仿真方法可以是蒙特卡罗仿真、Hspice仿真等。

[0020] 本发明提出一种单粒子辐照引入的涨落的表征方法，优点是计算方法简单，应用范围广，可以面向不同技术代和不同辐射环境应用需求。本发明可以修正辐射环境下工作的电路设计裕度要求，提高纳米级集成电路在辐射环境下工作的可靠性。附图说明

[0021] 图1为利用本发明单粒子辐照引入的涨落的表征方法对辐射环境下工作的电路设计裕度要求进行修正的主要流程图。

[0022] 图2为实施例中实测得到的某技术代nMOS器件辐照前后阈值电压涨落Pelgrom图。

具体实施方式

[0023] 本发明提出了一种单粒子辐照引入的涨落的表征方法，该方法通过测试提取单粒子辐照前后多个不同尺寸器件的阈值电压分布，获得单粒子辐照引起的阈值电压涨落，进而对工艺涨落模型进行修正，最终修正辐射环境下工作的电路设计裕度要求。下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

[0024] 实施例：本例中以某技术代器件为待评估样品，单粒子类型是重离子，测试和实验流程如图1所示，测试和实验均在室温下进行，具体步骤如下：

[0025] 步骤1.测试辐照前待评估技术代器件转移特性曲线；

[0026] 步骤2.进行重离子辐照实验，重离子为260MeV碘离子，重离子总通量为1.39×10 2
10 ions/cm；

[0027] 步骤3.测试辐照后待评估技术代器件转移特性曲线；

[0028] 步骤4.通过恒定电流法提取辐照前后器件阈值电压；

[0029] 步骤5.计算各个尺寸器件辐照前后阈值电压标准差；

[0030] 步骤6.绘制辐照前后待评估技术代器件阈值电压涨落Pelgrom图并进行线性拟合，待评估技术代nMOS器件的Pelgrom图如图2所示，图中AΔVT是线性拟合得到的斜率；

[0031] 步骤7.计算单粒子辐照在待评估技术代器件中引起的涨落σSEE：

[0032]

[0033] 其中σpost和σpre分别为拟合得到的辐照前后器件阈值电压标准差与器件尺寸的函数，3.2和2.9分别为辐照后和未辐照器件线性拟合Pelgrom图得到的斜率(见图2)；

[0034] 步骤8.获得考虑辐照引起的涨落后器件总的涨落σtotal：

[0035] σt0tal＝σSEE+σPV

[0036] 其中σPV为器件初始的工艺涨落；

[0037] 步骤9.将σtotal代入蒙特卡罗仿真，获得修正后的辐射环境下工作的电路设计裕度要求。

[0038] 该方法通过测试获得单粒子辐照引起的涨落，对工艺涨落模型进行修正，得到修正后的辐射环境下工作的电路设计裕度要求。具有计算方法简单、应用范围广的优点。本发明可以提高纳米级集成电路在辐射环境下工作的可靠性。

[0039] 以上描述的实施例并非用于限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可做各种的更动和润饰，本发明的保护范围以权利要求范围所界定。

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