一种经过辐射加固的不对称L形肖特基接触波形SOI-FinFET

《Micro and Nanostructures》：A Radiation Hardened asymmetric L-shaped Schottky contact Wavy-SOI-FinFET

抗辐射Asymmetric L型Schottky接触Wavy SOI FinFET结构通过优化Schottky接触和双极效应抑制，显著降低电荷收集（较传统设计降43.37%）并提升单粒子抗性（最高77%）。

　　在航天和军事领域，电子设备需要在极端环境中保持高可靠性和稳定性。其中，辐射是影响电子设备性能的重要因素之一。为了应对这一挑战，研究人员提出了一系列创新的晶体管设计，以提高其抗辐射能力。本文介绍了一种名为Asymmetric Schottky Contact Wavy SOI FinFET（AW-SOI-FinFET）的新结构，以及在此基础上进一步优化的Asymmetric L-shape Wavy FinFET（ALW-FinFET）设计。这些改进的结构旨在解决现有Wavy SOI FinFET在辐射环境下的局限性，特别是在重离子照射时的电荷收集问题和单粒子效应的敏感性。

AW-SOI-FinFET通过改变传统Wavy结构中的双极Schottky接触为单侧Schottky接触，从而减少因重离子照射导致的电荷收集。这种设计在低栅极电压下能够有效工作，与传统的三栅极模式相比，它采用了单栅极金属（SGM）模式，从而降低了设备的复杂性。同时，这种结构还能减少由于浮动体效应（floating body effect）导致的寄生双极放大效应，提高设备的稳定性。TCAD模拟结果显示，与传统的Wavy SOI FinFET相比，AW-SOI-FinFET的电荷收集减少了36.46%，而与常规设计相比，减少了43.37%。在垂直离子照射的情况下，其抗辐射能力提高了77%。

为了进一步提升抗辐射性能，研究人员设计了ALW-FinFET结构，该结构在AW-SOI-FinFET的基础上引入了不对称的L型Schottky接触。这种设计通过优化Schottky接触的位置和形状，使得设备在重离子照射时能够更有效地分流电荷，从而降低电荷收集。TCAD模拟显示，与AW-SOI-FinFET相比，ALW-FinFET的电荷收集减少了36.46%，与传统设计相比，减少了43.37%。同时，当离子撞击位置靠近源极时，电荷收集的减少更为显著，这主要是由于双极放大效应的影响。这些结果表明，ALW-FinFET在航天和军事应用中具有更优越的单粒子效应抗性。

在半导体器件研究中，辐射损伤可以分为两种类型：电离辐射损伤和位移辐射损伤。电离辐射损伤是指辐射引起材料中的原子电离，产生正离子和自由电子，从而改变材料的电学特性。位移辐射损伤则是由于原子从正常晶格位置移出，形成空位和间隙原子，导致材料结构的畸变。根据辐射能量的不同，电离辐射损伤可以进一步分为总电离剂量（TID）和单粒子效应（SEE）。SEE对器件和电路的影响更为广泛，包括可修复的软错误和不可修复的硬错误。软错误包括单粒子瞬态（SET）、单粒子翻转（SEU）和单粒子锁（SEL）。这些理论在Dodd、Reed和戴崇光等人的研究中得到了详细总结，特别是关于单粒子瞬态和单粒子翻转电荷收集的机制。

FinFET作为一种多栅极结构，相较于传统的单栅极结构具有更强的抗辐射特性。FinFET的源极和漏极面积较小，使得敏感区域的面积减少，从而降低了重离子照射时沉积的电荷。同时，FinFET的寄生双极放大效应也显著减弱，使其整体对单粒子效应的敏感性降低。这一特性使得基于FinFET的静态随机存取存储器（SRAM）单元具有更低的软错误率。由于FinFET的结构特点，其在抗辐射性能方面具有显著优势。

SOI（绝缘体上硅）结构通过埋氧化层有效隔离衬底和沟道，从而提升器件的抗辐射能力。因此，SOI结构在航天和军事应用中得到了广泛应用。然而，在180nm及以下工艺节点中，商业体硅和部分耗尽SOI（PD-SOI）的软错误率相当。尽管如此，由于绝缘层与衬底和沟道的隔离，沟道底部无法直接接地，形成浮动电位，这可能导致寄生双极放大效应、背栅调制等问题，即所谓的浮动体效应。为了缓解这一问题，开发了具有超薄硅层（UTB）的全耗尽SOI（FD-SOI）器件。与PD-SOI相比，FD-SOI的沟道层厚度小于饱和区的反型层厚度，使得在器件饱和时沟道完全耗尽，从而抑制浮动体区域的形成，有效缓解浮动体效应。

将多栅极结构与SOI技术结合，产生了SOI FinFET结构。目前，许多研究致力于将SOI与FinFET技术结合，以充分发挥两者的优点。在SOI FinFET技术的研究中，张等人提出了一种倒T型SOI FinFET结构，并由Fahad等人进行了制备。该结构如图1(a)所示，与传统的SOI FinFET相比，具有更薄的硅层，但仍然存在由浮动电位引起的浮动体效应。目前常见的方法是通过增强栅极控制能力来减少双极放大效应，例如使用H型栅极、环型栅极和组合接触，以降低浮动电位并减少双极放大增益。Pradhan等人提出了一种混合波形SOI FinFET结构，设计了Schottky-MOS混合栅极结构。这种结构能够有效解决Fin底部栅极电位的浮动问题，稳定沟道电位，从而缓解设备的浮动体效应。这表明，寄生双极效应被抑制，从而显著减少设备的单粒子瞬态电流和漏极收集的电荷。同时，Schottky接触还能分流部分单粒子瞬态电流，进一步减少漏极收集的电荷。此外，Schottky接触中的金属-半导体界面对总电离剂量（TID）的敏感性较低，有助于保持器件参数的稳定性。为了应对Schottky接触在重复热循环中容易出现的金属/硅界面互扩散问题，可以采用热稳定性更高的金属（如Pt、Mo）并优化退火工艺。

然而，Wavy结构仍然存在两个问题。首先，Schottky接触和MOS使用相同的栅极连接，当栅极电压升高时，Schottky接触会导致沟道电位升高，使沟道和源漏PN结存在导通风险。当电压较低时，会产生泄漏，当电压较高时，会产生大量电流干扰设备的正常运行，使得设备的应用范围受限于泄漏端电位。其次，由重离子撞击引起的单粒子瞬态电流也会被Schottky栅极分流，这意味着会在栅极端引入瞬态电流，从而影响之前的电路，特别是在有反馈的电路中更为严重。此外，电流还会干扰栅极电位，当栅极电位浮动时，会导致电位的变化。

为了解决上述问题，本文提出了基于不对称波形结构的AW-SOI-FinFET设计方案，对当前Wavy SOI FinFET进行了深入分析和改进。与传统的SOI FinFET和倒T型FinFET相比，该方案在抗辐射性能和电流特性方面表现更优。为进一步提升器件的抗辐射能力，本文基于该方案设计了不对称L型Schottky接触的Wavy SOI FinFET（ALW-FinFET）结构，并采用了不同的Schottky接触设置。通过模拟该设备的结构电气特性、单粒子瞬态电流和漏极收集电荷，研究了不同重离子参数对新结构抗单粒子效应能力的影响，并提出了在先进工艺节点下抗单粒子效应设备的新设计思路。

此外，本文还分析了三种不同重离子参数的器件在单粒子效应下的表现。通过LET值的分析，发现ALW-FinFET的整体抗辐射能力显著高于其他两种结构。这些结果表明，ALW-FinFET在航天和军事应用中具有更优越的单粒子效应抗性，能够有效减少因重离子照射导致的电荷收集，提高设备的稳定性和可靠性。这一设计思路为未来在极端辐射环境下高性能电子器件的研发提供了新的方向和参考。