ルゲー MOSFET おけ 重イオン照射 誘起さ バイポー 増幅のシミュレーション

文献名 Simulation Analysis of the Bipolar Amplification Induced by Heavy-Ion Irradiation in Double-Gate MOSFETs

出典 IEEE Transaction on Nuclear Science, Vol. 52, No. 6, pp. 2137- 2143, Dec. 2005.

著者名 K. Castellani-Coulie, D. Munteanu, J. L. Autran, V. Ferlet-Cavrois, P. Paillet, and J. Baggio

対象 バイス ルゲー MOSFET、SOI

実験設備 ソフ ウエア ISE社 バイスシミュレータDESSIS 現：Synopsys社 Sentaurus 照射線種及び

エネルギーの区分

重イオン照射

LET＝0.1～100 MeV cm²/mg 単発現象又

積算線量効果の区分

単発反転現象 SET 実験又 理論の区分 計算機シミュレーション

(1) 要約

ルゲー DG ン スタの重イオンへの感度を数値シミュレーション よっ 評価し、シン グルゲー SG 部分空乏型および完全空乏型のSOI バイス 詳細 比較した LETおよび ッ 位置 バイポー 増幅の関係 、DG 同等の構造 ータを持 SGよ 感受性 低い 耐 性 強 い こ わ っ た さ 、 重 イ オ ン 対 す DGの 感 度 低 の 影 響 を 理 解 す た め 、 様々 電気的および幾何的構造 ータのバイポー ゲインへの影響を系統的 調 た

(2) 緒言

ルゲー MOS ン スタ 、集積限界 対す IRTS ー マップの必要条件を満たす最 有望 ソ ューション し 現在広く認識さ い [1] この主 理由 、シ コン薄膜 ゲー 電極 の間の強い静電 ップ ング 起因す 短チャネル効果の制御し易さ あ このためチャネルを 低 ープ す こ 可能 、移動度 増加し ープレベルの 効果 除去さ

ルゲー (DG) ン スタ 、シングルゲー (SG)SOIのよう 電荷収集体積 小さいの 、 放射線 強いアプ ーション し 特 興味深い構造 あ [2],[3] し し 、SG-SOIの主 問題の一 、フ ー ングボ 効果 よ 高ま 寄生バイポー 効果 あ DG ン ス タ のゲー 電極 よっ ボ 電位 非常 制御しやすく の 、フ ー ングボ 効 果の低減 バイポー ゲインの低 を確実 実現

今ま SOI バイスの放射効果 関す 研究 膨大 あ [4]-[10] 、マルチゲー ン ス タの放射効果 い く一部し い さ 、マルチゲー ン スタ 関す 研究 最

多いの ー 効果 関す の[2],[11] あ こ 、将来的 DG ン スタの極め 薄

いSiO2層 ー 効果を制限す 結論 け い

本研究の目的 、照射 のバイポー 増幅をシミュレー す こ よっ 、DG ン スタの 重イオン 対す 感受性を評価し、SG SOI バイスの感度 比較す こ あ DG バイス 非常 集積度の高い バイス し 特 認識さ い の 、 々 照射 の バイス挙動の

ウンス ー ングの影響を重点的 調

(3) 計算条件

(a) 計算対象 バイス

本研究 、 種類のSOI バイス、SG部分空乏型(PD)SOI、SG完全空乏型(FD)SOI、DG

MOSFETを取 扱う こ す ボ タイ構造 い バイス あ

0.25μm低電力動作用 電源電圧1.8V SG-FD nチャネル ン スタを参照用 し 用いた シミュレーション 実験 ータ[12] ャ レー した 断面の概略図を図5.2.12-1 示す 低 ープ レイン LDD の延長部分 同様 レイン領域、ソース領域 エレベーション あ 、ボ 領域のシ コン膜厚 tSi 35nm あ ソース領域、 レイン領域 シ コン膜厚 100nm

ゲー 酸化膜厚 tox 5.4nm、埋込 酸化膜厚 400nm あ ボ 領域の 純物濃度

Na 6×10¹⁷cm^-3、オフ電流 3×10^-10A/μm あ

図5.2.12-1 本研究および文献[12]の ャ レーション 使用したnチャネル

SG-FD シングルゲー -完全空乏型 SOI ン スタの断面概略図

DG MOSFET い 、シ コン膜厚、ゲー 長、チャネルの 純物濃度をい い 変化さ

せた場合 い 調 た １ 目のDGの幾何学的 ータ 、0.25μmSG-FD ン スタ 同一 した ソース／ レイン領域 エレベーション 有 構造 無い構造の両方 い 調 た 両方の構造 、SG-FD ン スタのオフ電流 3×10^-10A/μm 一致す よう 、ボ 領 域の 純物濃度の ャ レーションを行い、ボ 領域の 純物濃度 8.5×10¹⁷cm^-3 っ た

目、 目のDG構造 シ コン膜厚 tSi を20μm,15μm 変化させた

４ 目のDG構造 、非常 集積度の高いMOSFET、す わち、ゲー 長30nm 文献[13]

の実際のDG ン スタを再現す 構造 tSi=10nm,tox=1.5nm,Na=5.3×10¹⁸cm^-3 あ この

超微細DGMOSFET[13]のTEM断面、および、計算上の対応す バイス構造の断面概略図

を図5.2.12-2(a),(b) 示す

図5.2.12-2 (a)超微細 ルゲー MOSFET L=30nm,tSi=10nm [13] の チャネル 沿ったTEM断面、(b) ルゲー nチャネル ン スタの断面概 略図、(c) レイン電流の実験 ータ 対す ャ レーション

この ン スタ 対す シミュレーション 、最初 高性能アプ ーション し 設計さ た 実 バイス 測定した特性[13]を用い ャ レーションを行った 図 5.2.12-2(c) オフ電流 10^-6A/μm あ 同一構造 オフ電流値の低い バイス い 、低 ワーアプ ーション

ITRS 要求す 値 ャ レーションを行い、シミュレーションを行った こ のオフ電流値 ゲー 電極の仕事関数 併せ込 を行った

(b) シミュレーションモ ル

バイスシミュレーション 、ISE 社の 次元 2-D バイスシミュレータ[14] 行った 以 の す のシミュレーション おい 、衝突電離 流体力学モ ル 考慮さ い フ -拡散

計算[14]-[16]の場合 同様 、衝突電離レー ャ アエネルギーの 依存し、局所的 電 界 依存し い イオン打込 効果 い 、DESSIS の重イオンモ ュールを用いた こ のモ ュール 、電子正孔対 イオン飛跡を中心軸 す 柱上 発生す 今回 す 次元直行 標系 シミュレーションを行ったの 、イオン飛跡 柱状電荷 く打込 位置 あ シー 状電荷 電子正孔対生成 特性半径 固定値 0.02μm 非常 薄い飛跡 の空 間 ウス分布 あ 、 ー 時刻50ps、特性時間0.02psの時間 ウス分布 あ LETの値 飛

跡 沿っ 一定 し、単位 MeV cm²/mg 示す 飛跡 す 垂直入射 し、入射位置(x)

い い 変化させた 図5.2.12-3 シミュレーション す 初期オフ状態 計算した

図5.2.12-3 L=0.25μm バイス 対す 飛跡位置x (c) 用語

重イオン照射 対す バイポー ゲインβ_HI 、蓄積電荷の増幅量 相当す β_HI レイン 電極 の収集電荷 蓄積電荷の比 得 [5]：

dep collect

HI =Q /Q

β ⁽¹⁾

レイン電極 の全収集電荷 次式 与え

=∫^t

o drain

collect I dt

Q (2)

ここ 、t=10^-8s した Qdep 感度領域 蓄積さ た電荷 あ (4) ルゲー シングルゲー の比較

シングルゲー FD構造 対す 詳細 研究 文献[17] 行った 本研究 の主 違い イオン 飛跡の ウス分布の特性半径 あ 、文献[17] 0.1μm あ 特性半径 考慮す 粒子 性 質、生成エネルギー、粒子を考慮し い 領域 依存す この ータ 簡単 ャ レ ー 、多くの文献[18]-[21] 提唱さ た値 、オー ー 一致し い のの著者 大 く異 々 非常 小さ 値 0.02μm を選択した 、こ 集積度の高い バイスま 比 較 値 あ し し 、 別の値を用いた 前回の論文の主 結果 変わ わけ

い

図5.2.12-4 SG バイス DG バイスのバイポー ゲインを同一の ータ L=0.25μm、

ｔ

_Si=35nm、Ioff=3×10^-10A/μm、VDD=1.8V 比 較 し い 飛 跡 ボ 中 心 生 成 さ せ た DG バイス い 、ソース／ レイン領域 エレベーション 有 場合 無い場合の両方の構 造 計算した 計算結果 DG バイス SG バイス 比 重イオン照射 よ 影響 小さ

いこ を明確 示し い DG バイスのボ 中心 生成した飛跡 対し 、ソース／ レイン領 域のエレベーションの有無 よ バイポー ゲインの差 い そ ゆえ、以後L=0.25μm のDG ン スタ い 、イオン入射 ボ 中心の場合、ソース／ レイン領域 エレベーションの 無い バイスの 行う

図5.2.12-4 SG エレベーション有 DG エレベーション有

無し のバイポー ゲインのLET依存 飛跡位置x=0 ボ 中心 、 L=0.25μm、tSi=35nm

図5.2.12-4 また、バイポー ゲインのLET依存性 、SG、DG LETの大小 異 こ を明 確 示し い LET 十分大 い場合 高注入レ ーム 、電流密度 高く そのため、

衝 突 電 離 よ 多 く の 正 孔 生 成 し ボ 中 の 正 孔 濃 度 著 し く 増 加 し 、 ゲ イ ン 低 す

[5],[17],[22] 低注入レ ーム 近 いた場合 飛跡 ボ - レイン接合部 離 い 場合、

および、LET 非常 小さい場合 、バイポー ゲインの傾向 変化し、β_HI LETの減少 低 す

図5.2.12-5 、SG DGのバイポー ゲインをイオン打込 位置x 対し プ ッ した の あ LET 図5.2.12-5の(a)、(b)、(c) そ 0.1 訳 注 ：0.5の 間 違 い 思 わ ,4,100MeV cm²/mg 変化させた DG い 、す のLET、x 対し 、ソース／ レイン領域 エレベ ーションの有 場合 無い場合の両方を示した バイポー 増幅 全収集電荷 よ ため、電界 高く衝突イオン化散乱 多いボ - レイン接合部 生成した飛跡の方 、バイポー 増幅 よ 大 く [6],[17]

本 節 の 一 番 重 要 結 論 、DGの バ イ ポ ー 増 幅 のSG の 比 較 あ ： い の 条 件 x、

LET おい 、DG ン スタ SGよ バイポー ゲイン 小さく 図5.2.12-4,5 このDG

構造の優 た性質 、ボ 領域の電位 制御しやすいため 寄生バイポー 効果 著しく低 す こ 基 く そ ゆえ、DG ン スタ ゲー 長 オフ電流 同 場合 放射線 強いア プ ーションのよ 良い候補

図5.2.12-5 バイポー ゲインのx 入射位置 依存性 SG、DG L=0.25μm、LET (a)0.5、(b)4、(c)100MeV cm²/mg

(5) ルゲー MOSFETの重イオン照射耐性の強さ 関す 工学的、電気的 ータの影響

DG バイス 、非常 短いゲー 長、非常 薄い膜厚 いう極め 集積度の高い バイス し 、 従来の技術 代わ の し 設計さ い 本研究 、DG バイスの重イオン照射感度 関す ウンス ールの影響 い 詳細 解析す バイス ウンス ー ング よっ 重要

ータの数 変化し、し こ の ータ バイポー ゲイン 異 った影響を与え した っ 、 ータ間の相関を取 除くため、一度 1個の ータの 変化させ こ す

(a) シ コン膜厚

最初 、シ コン膜厚の薄化の影響 い 調 この節の計算 す 、同一オフ電流、

および、同一ゲー 長 0.25μm 行った SG ン スタ い 種類のシ コン膜厚 い 計 算 を 行 っ た ：tSi=50nm 適 切 ー プ レ ベ ル 部 分 空 乏 型 ン ス タ

t

Si=35nm FD DG ン スタ い 3種類のシ コン膜厚 い 計算を行った：35nm、

20nm、15nm い 完全空乏型 飛跡 す ボ の中心 発生させた

図5.2.12-6 レイン電流の時間変化 SG DG シ コン膜厚

の違い よ 変化を比較した L=0.25μm、Ioff=3×10^-10A/μm

全 バイス 一定

図5.2.12-6 レイン電流の時間変化を全 の対象 バイス い 示し い LET 固定

値 2MeV cm²/mg あ 予想 お 、PD構造 電流値 高く遅延 長い[4] こ 、ボ 内の電荷中性領域の存在 フ ー ングボ 効果を強め、付加電流 対応す 寄生バイポー

効果を起こす最 耐性の弱い構造 あ この効果 SG-FD ン スタの場合 小さく 、 ボ 部の電位 フ ー ングボ 効果を制御しやすい DG の場合 無視 ほ

最後 、SG-PD DG へ移 、 レイン電流 寄生バイポー 効果 小さく っ いく

結果 し 、収集電荷 図5.2.12-7 バイポー ゲイン 図5.2.12-8 減少す

図 5.2.12-8 また、低注入の場合 高注入の場合 、シ コン膜厚 よ 、また、SG DG

よ バイポー ゲイン 非常 似 い こ を示し い こ 衝突イオン化散乱の寄与 非常 小さい あ 低注入の場合 、おそ く LET 小さく衝突イオン化散乱 少 い ため あ 高注入の場合 、注入 生成さ 電子‐正孔対濃度 膨大 、衝突電離 生成さ

電子‐正孔対 無視 ため あ

ここ DGの 考え 、シ コン膜厚 薄く レイン電流 低 す こ おそ く次 の の現象 よ 1 シ コン膜厚 薄い 感度領域の蓄積電荷 減少し、 レイン電流を低 させ 2 シ コン膜厚 薄い ボ 部をゲー 電極 制御しやすく 、付加電流を低 させ この の ニ ム よ 、チャネルの膜厚 減少した の収集電荷 バイポー ゲインの低 を説明

図5.2.12-7 収集電荷のLET依存性 図5.2.12-8 バイポー ゲインのLET依 L=0.25μm、Ioff=3×10^-10A/μm 存性 L=0.25μm、Ioff=3×10^-10A/μm

結論 し 、 ー マップの終端 バイス し 設計さ た 非常 薄いシ コン膜厚 DG 、 ン スタ中の衝突電離を低 させ ため、シングルイベン 効果への感受性を制限す 耐性 強い 強力 バイス 認識さ あ

(b) オフ電流

本研究 実行さ たす の計算 おい 、オフ電流の値 Ioff バイポー ゲイン 関す

最 重要 ータ あ 図5.2.12-9,10,11 、異 オフ電流値を持 SG DGのバイポ

ー ゲインを示す 飛跡 ボ 中心 生成させた バイポー 増幅 対す オフ電流の影響 明確 示さ い 以 このこ い 議論す

前節 膜厚減少の影響を調 、オフ電流値 い ゲー 電極の仕事関数 一定 保っ いた

本節 オフ電流値を tSi 変化させ L=0.25μm の DG バイス い 、tSiを 35nm 20nm へ減少させ 、既 文献[23] 強調さ たよう β_HIの急激 増加 観測さ この傾向 、オフ電流値を 3×10^-10A/μm 固定 前節の場合、および、図5.2.12-9の場 合 し シ コン膜厚を減少させた場合の傾向 明 逆の傾向 あ この結果を説明す た め よ 詳細 解析を行い、tSiの減少 よ バイス閾値電圧 減少し、オフ電流 3×10^-10A/

μm tSi=35nm 2×10^-7A/μm tSi=20nm へ 桁上昇す こ 示さ た β_HIの劇的 増加 こ よっ 説明 オフ電流値 増加す バイポー ゲイン 大 く増加す こ あ このこ 30nm厚DG構造 図5.2.12-10(b) 、0.25μm長SG-FD構造 図5.2.12-10(c)

確認

オフ電流 い 理解を深め ため 、図 5.2.12-11 、30nm厚DG い レイン電流 の 時 間 変 化 レ イン 電 極 の 収 集電荷 量 の 時 間変 化 を 示す 3 通 の オ フ 電 流 値 い 示 す オフ電流値 増加す 、イオン化さ た粒子 よっ 生 ー 電流、付加電流

増加す こ 特 図5.2.12-11(a) 明確 あ Ioff2 Ioff3の10倍弱 あ 、収集電荷 増加し い

ドキュメント内 JAXA Repository AIREX: 最新デバイスの耐放射線性強化技術に関する検討:平成18年度成果報告書 (ページ 158-172)