FinFET SRAM的瞬时剂量率效应研究

摘要

随着航天事业的蓬勃发展，人们越来越认识到辐射环境中高能粒子对电子系统的瞬时辐射损伤不容忽视，辐射导致的软错误甚至永久性损伤严重威胁电子系统的可靠性。目前，半导体工艺节点已进入14nm，3D FinFET器件取代了平面MOSFET器件成为主流工艺技术。考虑到FinFET与传统平面MOSFET的结构性差异所引起辐射效应的变化以及SRAM作为集成电路中对辐射最为敏感的部分，开展了FinFET SRAM的瞬时剂量率效应仿真研究。本文针对瞬时剂量率效应的辐射损伤机理，提出了 Geant4软件模拟粒子输运， Sentaurus TCAD软件仿真器件瞬态电流，HSPICE模拟SRAM单元翻转的瞬时剂量率效应的仿真方法。参考BSIM-CMG模型建立了FinFET器件三维模型，研究了SOI和体硅FinFET SRAM的瞬时剂量率效应，对比了两种结构FinFET器件的抗瞬时辐射性能。比较了FinFET和平面65nm MOSFET器件的瞬时辐射敏感性，评估了三种经典抗辐射加固单元的抗瞬时辐射翻转能力。
　　本研究主要内容包括：⑴基于FinFET器件三维模型，采用Geant4模拟了不同数量gamma粒子在器件内的粒子输运，计算出器件灵敏体内的能量沉积，并换算为LET。利用Sentaurus TCAD辐射模型参数 LET将等量的能量沉积加入器件，仿真器件辐射导致的瞬态电流。结果表明，相同数量入射粒子的情况下，SOI FinFET器件的瞬态电流小于体硅FinFET器件，原因是SOI FinFET由于埋氧层的存在而不能收集衬底产生的电荷。⑵采用HSPICE对SRAM单元敏感节点加入瞬态电流来模拟gamma的瞬时辐射。比较SOI FinFET和体硅FinFET SRAM的仿真结果，得出结论SOI FinFET具有更好的抗瞬时辐射的能力。得到的仿真结果，体硅FinFET SRAM的LET翻转阈值为0.0104pC/μm，临界电荷为0.76fC，与文献[36]中14nm体硅FinFET的LET阈值0.0112 pC/μm和临界电荷0.73fC相当。⑶为将FinFET与平面器件的瞬时剂量率效应作对比，开展了对平面65nm MOSFET SRAM单元的瞬时剂量率效应仿真，得到其LET翻转阈值为0.0096pC/μm，小于 FinFET SRAM的阈值，得出 FinFET器件抗瞬时辐射能力强于平面65nm MOSFET器件的结论。其主要原因是平面65nm MOSFET器件的灵敏体积大于FinFET器件，从而沉积了更多的能量，产生更多的电荷。⑷总结了现有的抗辐射加固技术，通过对DICE单元、ROCK单元和10T单元进行抗单节点翻转和抗双节点翻转的仿真分析，得到ROCK单元具有较好的抗辐射能力的结论。

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第一章 绪论

1.1研究背景

1.2国内外研究现状

1.3论文主要工作及结构安排

第二章 辐射环境及瞬时剂量率效应机理

2.1辐射环境

2.2瞬时剂量率效应

2.3 SRAM翻转机理

2.4本章小结

第三章 FinFET器件瞬时剂量率效应仿真

3.1器件建模软件及仿真方法介绍

3.2基于Geant4的建模仿真

3.3基于Sentaurus TCAD的建模仿真

3.4本意小结

第四章 SRAM单元瞬时剂量率效应及加固仿真

4.1 FinFET SRAM单元瞬时剂量率效应仿真

4.2与65nm平面MOSFET SRAM对比

4.3典型SRAM单元加固设计

4.4本章小结

第五章 总结与展望

5.1工作总结

5.2工作展望

参考文献

致谢

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