При переходе от планарных структур MOSFET к трехмерным структурам FinFET обеспечивается стойкость к разным видам облучения. Однако характеристики облученных приборов, созданных на разных предприятиях-изготовителях, существенно различаются, и объяснить зависимость радиационной стойкости структур FinFET от вариаций их физико-топологических параметров и электрических режимов достаточно сложно. В работе разработана радиационная версия TCAD-модели МОП-транзистора со структурой FinFET на объемном кремнии. В базовую модель нанометрового МОП-транзистора введены дополнительные специфические для структур FinFET полуэмпирические радиационные зависимости для эффективной подвижности носителей заряда, концентрации ловушек в объемах оксидов SiO и HfO и на поверхностях раздела оксид - кремний. Модель реализована в среде Sentaurus Synopsys TCAD. Валидация модели проведена на тестовом наборе структур FinFET с длиной канала от 60 до 7 нм без облучения и в диапазоне доз гамма-облучения до 1 Мрад. Сравнение статических ВАХ, полученных путем моделирования, с результатами эксперимента показало погрешность, не превышающую 15 %.
-
Ключевые слова:
структура FinFET, ионизирующее излучение, TCAD-модели-рование
-
Опубликовано в разделе:
Элементы интегральной электроники
-
Библиографическая ссылка:
TCAD-моделирование нанометровых структур FinFET на объемном кремнии с учетом воздействия радиации / К.О. Петросянц, Д.С. Силкин, Д.А. Попов и др. // Изв. вузов. Электроника. 2021. Т. 26. № 5. С. 374–386. DOI: https://doi.org/ 10.24151/1561-5405-2021-26-5-374-386
-
Источник финансирования:
работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ и Фонда научных исследований Китая (проект № 20-57-53004).
Бо Ли
Институт микроэлектроники Китайской академии наук, г. Пекин, Китай
Сюй Чжан
Институт микроэлектроники Китайской академии наук, г. Пекин, Китай
1. Hook T.B. Fully depleted devices for designers: FDSOI and FinFETs // Proceedings of the IEEE 2012 Custom Integrated Circuits Conference. San Jose: IEEE, 2012. P. 1–7. DOI: https://doi.org/10.1109/CICC.2012.6330653
2. Intel 22nm FinFET (22FFL) process technology for RF and mm wave applications and circuit design optimization for FinFET technology / H.-J. Lee, S. Rami, S. Ravikumar et al. // 2018 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM). San Francisco: IEEE, 2018. P. 14.1.1–14.1.4. DOI: https://doi.org/10.1109/IEDM.2018.8614490
3. Experimental study of gate-first FinFET threshold-voltage mismatch / Q. Zhang, C. Wang, H. Wang et al. // IEEE Transactions on Electron Devices. 2014. Vol. 61. Iss. 2. P. 643–646. DOI: https://doi.org/10.1109/TED.2013.2295715
4. King M.P. FinFET technologies for digital systems with radiation requirements: TID SEE basic mechanisms and lessons learns // Office of Scientific and Technical Information: [Web] / United States. Sept. 2017. URL: https://www.osti.gov/servlets/purl/1474226 (accessed: 31.05.2021).
5. Analysis of TID process, geometry, and bias condition dependence in 14-nm FinFETs and implications for RF and SRAM performance / M.P. King, X. Wu, M. Eller et al. // IEEE Trans-actions on Nuclear Science. 2017. Vol. 64. Iss. 1. P. 285–292. DOI: https://doi.org/10.1109/TNS.2016.2634538
6. Total ionizing dose radiation effects on 14 nm FinFET and SOI UTBB technologies / H. Hughes, P. McMarr, M. Alles et al. // 2015 IEEE Radiation Effects Data Workshop (REDW). Boston: IEEE, 2015. P. 1–6. DOI: https://doi.org/10.1109/REDW.2015.7336740
7. Sicard E. Introducing 14-nm FinFET technology in Microwind. Jun. 2017 // Open archive HAL: [Web] / CCSD. URL: https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01541171/document (accessed: 31.05.2021).
8. Sicard E. Introducing 7-nm FinFET technology in Microwind. Jul. 2017 // Open archive HAL: [Web] / CCSD. URL: https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01558775/document (accessed: 15.04.2021).
9. Mohammed M.U., Nizam A., Chowdhury M.H. Performance stability analysis of SRAM cells based on different FinFET devices in 7nm technology // 2018 IEEE SOI-3D-Subthreshold Microelectronics Technology Unified Conference (S3S). Burlingame: IEEE, 2018. P. 1–3. DOI: https://doi.org/10.1109/S3S.2018.8640161
10. Process variation dependence of total ionizing dose effects in bulk nFinFETs / B. Li, Y.-B. Huang, L. Yang et al. // Microelectronics Reliability. 2018. Vol. 88–90. P. 946–951. DOI: https://doi.org/10.1016/j.microrel.2018.07.020
11. Artola L., Hubert G., Schrimpf R.D. Modeling of radiation-induced single event transi-ents in SOI FinFETS // 2013 IEEE International Reliability Physics Symposium (IRPS). Monte-rey: IEEE, 2013. P. SE.1.1–SE.1.6. DOI: https://doi.org/10.1109/IRPS.2013.6532108
12. Lakshmi B., Srinivasan R. 3D-TCAD simulation study of process variations on ft in 30 nm gate length FinFET // 2011 International Conference on Emerging Trends in Electrical and Computer Technology. Nagercoil: IEEE, 2011. P. 589–593. DOI: https://doi.org/10.1109/ICETECT.2011.5760186
13. Donati Guerrieri S., Bonani F., Ghione G. A novel TCAD approach to temperature de-pendent DC FinFET variability analysis // 2018 13th European Microwave Integrated Circuits Conference (EuMIC). Madrid: IEEE, 2018. P. 230–233. DOI: https://doi.org/10.23919/EuMIC.2018.853988
14. Bhoj A.N., Joshi R.V., Jha N.K. 3-D-TCAD-based parasitic capacitance extraction for emerging multigate devices and circuits // IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems. 2013. Vol. 21. No. 11. P. 2094–2105. DOI: https://doi.org/10.1109/TVLSI.2012.2227848
15. Semiconductor science and technology validation of 30 nm process simulation using 3D TCAD for FinFET devices / M. Nawaz, W. Molzer, P. Haibach et al. // Semiconductor Science and Technology. 2006. Vol. 21. No. 8. P. 1111–1120. DOI: https://doi.org/10.1088/0268-1242/21/8/023
16. Wang G. Investigation on SiGe selective epitaxy for source and drain engineering in 22 nm CMOS technology node and beyond. Gateway East: Springer Singapore, 2019. XVI, 115 p. DOI: https://doi.org/10.1007/978-981-15-0046-6
17. Mujtaba S.A. Advanced mobility models for design and simulation of deep submicrometer MOSFETs: a dissertation. Stanford, CA: Stanford University, 1995. XVII, 153 p.
18. Schenk A. Advanced physical models for silicon device simulation. Vienna: Springer, 1998. XVIII, 354 p. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-7091-6494-5
19. Shur M.S. Low ballistic mobility in submicron HEMTs // IEEE Electron Device Letters. 2002. Vol. 23. No. 9. P. 511–513. DOI: https://doi.org/10.1109/LED.2002.802679
20. Metal gate work function tuning by Al incorporation in TiN / L.P.B. Lima, H.F.W. Dekkers, J.G. Lisoni, J.A. Diniz et al. // Journal of Applied Physics. 2014. Vol. 115. Iss. 7. P. 074504-1–074504-5. DOI: https://doi.org/10.1063/1.4866323
21. Annealing effect on the metal gate effective work function modulation for the Al/TiN/SiO2/p-Si structure / X.-R. Wang, Y.-L. Jiang, Q. Xie et al. // Microelectronic Engineer-ing. 2011. Vol. 88. Iss. 5. P. 573–577. DOI: https://doi.org/10.1016/j.mee.2010.06.029
22. Петросянц К.О., Попов Д.А., Быков Д.В. TCAD-моделирование дозовых радиа-ционных эффектов в суб-100-нм high-k МОП-транзисторных структурах // Изв. вузов. Электроника. 2017. Т. 22. № 6. С. 569–581. DOI: https://doi.org/10.214151/1561-5405-2017-22-6-569-581
23. Petrosyants K.O., Kozhukhov M.V., Popov D.A. Effective radiation damage models for TCAD simulation of silicon bipolar and MOS transistor and sensor structures // Sensors and Transducers. 2018. Vol. 227. No. 11. P. 42–50.
24. Fin-width dependence of ionizing radiation-induced subthreshold-swing degradation in 100-nm-gate-length FinFETs / F. El Mamouni, E.X. Zhang, R.D. Schrimpf et al. // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2009. Vol. 56. No. 6. P. 3250–3255. DOI: https://doi.org/10.1109/TNS.2009.2034155
25. Total dose response of transconductance in MOSFETs at low temperature / R.L. Pease, S.D. Clark, P.L. Cole et al. // IEEE Transactions on Nuclear Science. 1994. Vol. 41. No. 3. P. 549–554. DOI: https://doi.org/10.1109/23.299797
26. Geometry dependence of total-dose effects in bulk FinFETs / I. Chatterjee, E.X. Zhang, B.L. Bhuva et al. // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2014. Vol. 61. No. 6. P. 2951–2958. DOI: https://doi.org/10.1109/TNS.2014.2367157
27. Huo Q., Wu Z., Zhang F., Li L. A modeling approach for 7nm technology node area-consuming circuit optimization and beyond // 2019 16th International Conference on Synthesis, Modeling, Analysis and Simulation Methods and Applications to Circuit Design (SMACD). Lausanne: IEEE, 2019. P. 93–96. DOI: https://doi.org/10.1109/SMACD.2019.8795254