可重构晶体管中垂直堆叠的树状纳米片通道的单事件瞬态效应分析

《Radiation Physics and Chemistry》：Analysis of single-event-transient effects in reconfigurable transistor with vertically stacked tree-type nanosheets channel

　　

洪波叶|邹新宇|胡俊峰|刘子宇|李晓金|董新宇|卢飞|毛志刚|孙亚斌

上海交通大学微纳电子系，中国上海200240

摘要

本文首次通过3-D TCAD仿真评估了具有垂直堆叠树状通道（Tree-RFET）的可重构场效应晶体管中的单事件瞬变（SET）效应。研究发现，Tree-RFET中存在严重的SET效应。对于LET为15 MeV·cm2/mg的重离子，n型器件的峰值漏电流可达到0.923 mA，p型器件为0.852 mA，远高于新鲜器件的饱和电流0.705 μA。详细研究了线性能量转移（LET）、偏压、撞击位置和角度对峰值漏电流和收集电荷的影响。此外，与传统纳米片RFET相比，由于额外的桥接树状通道，Tree-RFET表现出更严重的SET效应。本文还深入探讨了其背后的物理机制。

引言

随着CMOS技术进入深度纳米尺度领域，严重的短通道效应（SCEs）限制了进一步的缩放。为克服这些效应，提出了多种先进的器件技术，如FinFET（R. Singh等人，2018年）、全环绕栅极（GAA）FET（N. Loubet等人，2017年，D. Ryu等人，2020年）和隧穿晶体管（TFET）（F. Chen等人，2018年，M. Vadizadeh等人，2021年）。此外，扩展单个器件的功能也是延续摩尔定律的另一种途径，近年来在半导体技术中受到了广泛关注。其中典型的代表是基于肖特基隧穿的的可重构场效应晶体管（RFET）（T. Mikolajick等人，2017年；M. Reuter等人，2021年；A. Bhattacharjee等人，2017年）。借助额外的编程栅极，RFET可以在单个晶体管内同时实现n型和p型编程。由于可重构性，基于RFET的电路可以用更少的晶体管实现相同的逻辑功能，这使得RFET成为可编程逻辑阵列（PLAs）的有希望的候选者（S. Rai等人，2019年）。例如，四个晶体管（4-T）逻辑门可以设计成NAND或NOR。而传统的CMOS器件需要18个晶体管来实现相同的功能（J. Trommer等人，2014年）。

然而，与其他隧穿器件类似，RFET也存在导通电流（I_ON）较低的问题。因此，人们提出了基于材料或结构的多种创新优化方案，如拱形栅极RFET（X. Li等人，2020年）、间隔层工程（Y. Yao等人，2020年）、双掺杂RFET（R. Zhang等人，2022年）和U形栅极RFET。此外，随着航空航天电子技术的发展，航天器、空间站、人造卫星等辐射环境对半导体器件的需求不断增加（E. G. Moreno等人，2009年）。在太空环境中运行的电子设备和电路不可避免地会受到各种宇宙射线和高能粒子的影响，导致性能甚至可靠性的下降。单事件瞬变（SET）是一个严重的可靠性问题，可能导致暂时性损坏（软错误）或永久性损坏（硬错误）。最近的研究（K. Jungsik等人，2018年）探讨了FinFET和纳米片FET（NSFET）器件的SET响应特性。研究结果表明，NSFET由于具有更好的栅极控制能力，对SET的耐受性更强，且对粒子入射角度的依赖性更低。传统RFET在NAND2和NOR2应用中的单事件瞬变效应也已被研究（Y. Sun等人，2021年）。在我们之前的工作中，提出了一种具有树状通道（Tree-RFET）的新型RFET，由于额外的桥接树状通道，驱动电流提高了1.6倍（Y. Sun等人，2022年）。然而，这种新型Tree-RFET的辐照效应尚未得到评估，这对于未来的太空应用尤为重要。

本文首次通过3-D TCAD仿真评估了新型Tree-RFET的单事件瞬变（SET）效应。结果表明，重离子辐照引起的瞬态漏电流严重依赖于撞击位置、角度和偏压条件。与传统RFET相比，额外的桥接树状通道的存在导致新型Tree-RFET中的SET效应更为严重。本文的结构如下：第2部分描述了器件结构和仿真方法；第3部分讨论了SET对重离子、撞击位置、角度和偏压条件的依赖性；第4部分给出了结论。

章节摘录

器件结构和仿真

所研究的新型Tree-RFET的结构如图1所示。与传统NS RFET相比，该器件在堆叠的纳米片之间嵌入了一个额外的桥接（IB）通道。通道采用本征硅材料，堆叠纳米片的宽度为15 nm，厚度为4 nm。相邻纳米片之间的距离为12 nm。作为漏极和源极的材料选用了功函数为4.64 eV的镍硅化物（NiSi2）。

RFET中的SET效应

首先比较了所提出的Tree-RFET和传统NS-RFET的SET响应。图4(a)展示了两种RFET在不同LET下的瞬态漏电流，以n型编程为例。撞击位置选在上层编程栅极的中心，重离子通过桥接通道。重离子的特征半径w为10 nm。随着LET的增加，两种RFET的瞬态漏电流也随之增加。

结论

本文通过3-D TCAD仿真评估了具有树状通道的新型Tree-RFET的SET效应。与传统堆叠纳米片RFET相比，由于额外的桥接通道的存在，Tree-RFET表现出更严重的SET效应。此外，Tree-RFET中由重离子引起的瞬态漏电流高于新鲜器件的初始电流。此外，双极放大效应有助于克服肖特基势垒的隧穿。

作者贡献声明

刘子宇：负责监督和方法论工作

未引用的参考文献

Bhattacharjee和Dasgupta，2017年；Munteanu和Autran，2008年；Vadizadeh，2021年；Sun等人，2002年。

利益冲突声明

? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：刘子宇报告称，其研究得到了中国基金会（Grant 62274064和62274063）的财政支持。

致谢

本研究部分得到了国家自然科学基金（Grant 62274064和62274063）的支持；部分得到了上海市科技创新计划（Grant 22TS1401100、22TS1401400、22TS1401700、24TS1400500、24TS1400100）的支持；部分得到了上海市航海计划（Grant 24YF2710500）的支持；还得到了上海市重大科技项目的支持。