CC BY
32УДК 621.382.323:539.23:001.891.57TCAD
DOI: 10.24151/1561-5405-2021-26-5-374-386
TCAD-моделирование нанометровых структур FinFET на объемном кремнии с учетом воздействия радиации
12 1 13 3
К.О. Петросянц ' , Д.С. Силкин , Д.А. Попов , Бо Ли , Сюй Чжан
1 Национальный исследовательский университет «Высшая школа
экономики», г. Москва, Россия
2
Институт проблем проектирования в микроэлектронике Российской академии наук, г. Москва, Россия
3 г
Институт микроэлектроники Китайской академии наук, г. Пекин, Китай
kpetrosyants@hse. т
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 SiO2 и HfO2 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 р1прбх; ионизирующее излучение; ТСАЭ-модели-рование
Финансирование работы: работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ и Фонда научных исследований Китая (проект № 20-57-53004).
Для цитирования: ТСЛВ-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. В01: https://doi.org/ 10.24151/1561-5405-2021-26-5-374-386
© К.О. Петросянц, Д.С. Силкин, Д.А. Попов, Бо Ли, Сюй Чжан, 2021
TCAD Modeling of Nanoscale Bulk FinFET Structures with Account of Radiation Exposure
K.O. Petrosyants1'2, D.S. Silkin1, D.A. Popov1, Bo Li3, Xu Zhang3
1National Research University Higher School of Economics, Moscow,
Russia
2
Institute for Design Problems in Microelectronics of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia
3Institute of Microelectronics of the Chinese Academy of Sciences, Beijing, China
Abstract: Transition from planar MOSFET structures to FinFET 3D structures ensures various radiation type resistance. However, the characteristics of radiation-exposed devices made at different factories vary considerably and it is hard to explain FinFET structures' radiation resistance dependence on variations of their physical and topological parameters and electrical modes. In this work, a RAD-TCAD model of FinFET on bulk silicon was developed. Additional semi-empirical radiation dependences specific to FinFET structures were introduced into the basic model of a nanometer MOSFET: the charge carrier effective mobility, the traps concentration in the SiO2 and HfO2 oxides and at the Si / SiO2 interface. The model was implemented in the Sentaurus Synopsys TCAD environment. The model was validated on a test set of FinFET structures with a channel length from 60 nm to 7 nm before and after exposure to gamma irradiation in the dose range up to 1 Mrad. Comparison of the modeled and experimental I-V characteristics has shown an error of no more than 15 %.
Keywords: FinFET structure; ionizing radiation; TCAD modeling
Funding: the study has been supported by the Russian Foundation for Basic Research and National Natural Science Foundation of China (project No. 20-57-53004).
For citation: Petrosyants K.O., Silkin D.S., Popov D.A., Li Bo, Zhang Xu. TCAD modeling of nanoscale bulk FinFET structures with account of radiation exposure. Proc. Univ. Electronics, 2021, vol. 26, no. 5, pp. 374-386. DOI: https://doi.org/ 10.24151/1561-5405-2021-26-5-374-386
Введение. Основным направлением совершенствования КМОП-технологии производства высокопроизводительных микропроцессоров, СБИС-памяти и цифровых систем по-прежнему является уменьшение размеров элементов (масштабирование). Практика показывает, что при достижении проектных норм 30 нм эффективное решение проблемы состоит в переходе от планарных структур MOSFET к трехмерным структурам FinFET [1-3]. При этом достигается ряд преимуществ: эффективное управление током канала с помощью 3D-конструкции затвора, слабое влияние короткоканальных эффектов, лучшая переключательная способность, а также обеспечивается стойкость к воздействию различных видов облучения [4-6]. В настоящее время промышленно освоены FinFET-технологии уровня 14 [7] и 7 нм [8, 9].
Существует достаточно много экспериментальных подтверждений высокой стойкости структур FinFET к ионизирующему излучению [5-10]. Вместе с тем авторы часто
указывают на то, что из-за нестабильности технологии геометрические и физические параметры некоторых структур FinFET, изготовленных в едином технологическом цикле, могут существенно различаться, что влияет на разброс их электрических характеристик. На практике эту проблему решают при выпуске структур FinFET в виде модулей с параллельным включением нескольких (или даже нескольких десятков) таких структур. Если отклонения параметров отдельных структур FinFET от заданной конструктором нормы имеют место внутри одного модуля, то для модуля в целом отклонения этих параметров в значительной степени нивелируются.
Анализ имеющихся экспериментальных результатов показывает, что характеристики облученных приборов, созданных на разных предприятиях-изготовителях, существенно различаются и четкую картину, объясняющую зависимость радиационной стойкости структур FinFET от вариаций их физико-топологических параметров и электрических режимов работы, составить сложно: необходимы дополнительные теоретические и экспериментальные исследования. В связи с этим важным инструментом в решении данной проблемы является TCAD-моделирование. Моделированию структур FinFET без учета и с учетом радиационных эффектов посвящен ряд работ [11-15], в них используются коммерческие версии TCAD-симуляторов, в которых не учитывается специфика структур FinFET. Модели электрофизических параметров, применяемые для структур FinFET, описаны недостаточно либо вообще не описаны. Так, в работах [11-14] отсутствует список подключенных моделей подвижности носителей заряда. Кроме того, подбор значений концентраций ловушечных уровней в объеме оксида и на границах оксид - кремний для каждой дозы радиации осуществляется вручную методом подбора.
В настоящей работе предлагается версия радиационной TCAD-модели, учитывающая особенности конструкции и электрофизических характеристик прибора, в значительной степени свободная от отмеченных недостатков. Модель реализована в среде Sentaurus Synopsys, в которую дополнительно введены аналитические аппроксимации для радиационно зависимых электрофизических параметров (цэфф, т, Not, Nit и др.). Результаты расчетов ВАХ структур FinFET с длиной канала 30, 40 и 60 нм, изготовленных на объемном кремнии, подтверждают адекватность радиационной TCAD-модели в диапазоне доз до 1 Мрад.
Исследуемые структуры FinFET. Типичная структура FinFET на объемном кремнии приведена на рис.1. Полупроводниковая пластина вытравливается так, чтобы на поверхности образовались кремниевые «плавники» (Si-fin), которые изолируются друг от друга оксидом кремния (Shallow Trench Isolation, STI): на каждом «плавнике» с трех сторон формируется затворная структура (Gate & GOX), длина которой задает длину канала. Области сток-исток формируются эпитаксией кремния (Epi-S/D), предварительно эти области отделяются от затворной структуры маской (Spacer) [16].
Исследовали структуры FinFET на объемном кремнии с длиной канала 30, 40 и 60 нм. Приборы изготовлены Институтом микроэлектроники Китайской академии наук (г. Пекин), там же проведены эксперименты по облучению приборов в диапазоне доз до 1 Мрад и по измерению их электрических характеристик до и после облучения.
Для нивелирования разброса ВАХ от прибора к прибору на тестовой пластине изготовлены три модуля структуры FinFET с длиной канала 30, 40 и 60 нм. Каждый модуль состоит из восьми одинаковых приборов с одной и той же длиной канала. Уровень
j g _^ ^ 20 _з
легирования «плавников» 2-10 см , областей сток-исток 2-10 см . Конструкция затвора выполнена в виде стека: SiO2-HfO2-TiN-TiAl-TiN. Толщина слоев диэлектриков равна: 0,6 нм для SiO2; 2,3 нм для HfO2.
а б
Рис.1. Структура FinFET на объемном кремнии [16] (а); 3D-модель в системе TCAD (б) Fig.1. Bulk FinFET structure [16] (a); 3D model in TCAD (b)
Описание TCAD-модели. Ключевую роль при моделировании структуры FinFET играет правильное задание подвижности неосновных носителей заряда. В работе [1] показано, что подвижность в канале структуры FinFET может быть в разы меньше типовых значений, принимаемых обычно для MOSFET, и может значительно изменяться с повышением концентрации в инверсном слое. Для учета деградации подвижности в инверсном слое использованы следующие модели:
- Enormal (IALMob Coulomb2D) - модель деградации подвижности у поверхности с двухмерным распределением дефектов на границе раздела [17]. Деградация подвижности у поверхности учитывается для всех моделей полевых транзисторов, но, так как структура трехмерная, для моделирования структуры FinFET необходимо также учитывать двухмерное распределение дефектов (модель Coulomb2D) и использовать адаптированный под него набор параметров модели деградации (IALMob);
- CarrierCarrierScattering (BrooksHerring) - модель деградации подвижности из-за рассеяния носителей на других носителях заряда. Из-за малых размеров плотность тока в канале может быть значительна, поэтому пренебрегать этим эффектом нельзя. Применяемая модель Брукса - Херринга описана в работе [18];
- DopingDependence (PhuMob BalMob) - модель зависимости подвижности от уровня легирования, часто применяемая для моделирования полевых транзисторов с высоким уровнем легирования в области канала. Для структуры FinFET использование в расчетах модели баллистического переноса носителей заряда (BalMob) обязательно [19].
Для учета квантовых эффектов применялась модель Density Gradient Quantization, одним из преимуществ которой является возможность отслеживать 3D-эффекты квантования.
Сужение запрещенной зоны контролировали с помощью модели Slotboom, а генерацию-рекомбинацию носителей - с помощью модели Шокли - Холла - Рида с учетом зависимости скорости рекомбинации от концентрации носителей.
Металлическая часть затвора тестовых приборов структур ЕтБЕТ представляет собой стек Т1К-Т1Л1-Т1К [20, 21]. В коммерческой версии БеПаигив ТСАО отсутствует возможность задавать параметры Т1Л1, поэтому вместо структуры Т1К-Т1Л1-Т1К при моделировании использовали единый слой Т1К, у которого изменен параметр «работа выхода электрона». Зависимость порогового напряжения Vа от эффективной работы выхода металла в Т1К следующая:
Wf, эВ 4,65 4,60 4,55 4,50 4,45 4,40 4,35
Vth, В 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20
Изменение работы выхода в модели на 0,01 эВ приводит к сдвигу порогового напряжения на 0,01 В. Это простое линейное соотношение использовано в ТСЛВ-модели.
При радиационном облучении индуцированные заряды, захваченные ловушками в диэлектриках затвора 8Ю2 и НГО2, а также на границе раздела диэлектрик - полупроводник, существенно зависят от поглощенной дозы. Такие зависимости для концентраций ловушек в объеме 8Ю2 и НГО2 и на границе раздела диэлектрик - полупроводник для наноразмерных МОПТ-структур, полученные в физических экспериментальных работах последних лет, включены в пакет ТСЛВ БеПаигив [22, 23] и использованы при моделировании облученных структур ЕтБЕТ.
Сравнение результатов моделирования и эксперимента. Валидацию ТСЛВ-модели и последующие расчеты ВАХ структур ЕтБЕТ выполняли в два этапа: настройка ТСЛВ-модели по ВАХ необлученных приборов; окончательная валидация по ВАХ для облученных транзисторов. Подгонку под эксперимент проводили только для радиационно зависимых электрофизических параметров.
На рис.2 приведены сток-затворные ВАХ необлученных тестовых структур ЕтБЕТ с длиной канала 30, 40 и 60 нм. Напряжение на стоке постоянно и равно Vd = 50 мВ, напряжение на затворе меняется от -0,2 до +1,0 В.
Из анализа ВАХ на рис.2 следует: во-первых, ТСЛБ-модель обеспечивает высокую точность моделирования отдельных ВАХ для 8 Е1пБЕТ-модулей с одинаковой длиной
канала (погрешность не более 5-10 %); во-вторых, для приборов с различной длиной канала наблюдаются заметные различия в пороговом напряжении (А Vth = 0,05...0,1 В) и предпороговом наклоне (££ = а при одном и том же значении напряжения на затворе Vg значения тока утечки могут различаться на порядок. Изменение максимальной проводимости канала gm тах при низком напряжении на стоке незначительно. Эти данные находятся в полном соответствии с экспериментальными результатами компаний-изготовителей [2, 3, 10].
Сравнение основных электрических параметров для трех ЕтБЕТ-модулей приведено в табл.1.
Напряжение на затворе, В
Рис.2. Сток-затворные характеристики тестовых структур (Vds = 50 мВ) с длиной канала 30, 40, 60 нм (кривые 1, 2, 3 соответственно) Fig.2. Experimental IdVg characteristics at Vds = 50 mV with a channel length from 30, 40, 60 nm (curves 1, 2, 3 respectively)
Таблица 1
Параметры структур FinFET с различной длиной канала
Table 1
Parameters of FinFET structures with different channel lengths
Длина канала, нм Ioff, нА SS, мВ/декада Vh, мВ gm max, МкСм
30 0,53 82 249 238
40 0,8 108 210 221
60 0,41 89 292 210
Во многих работах по моделированию с целью упрощения трапецеидальную форму «плавника» заменяют прямоугольным аналогом. Сравнительное моделирование такой упрощенной структуры (при постоянной средней ширине канала) с реальной, изображенной на рис.1,б, показывает, что упрощение приводит к возникновению дополнительной погрешности по параметрам Vth и ££ в размере до 10 %. При этом время моделирования уменьшается более чем на 50 %, что следует учитывать при большом объеме расчетов. Затраты времени на ЗБ-расчет 20 точек ВАХ на трех ядрах процессора типа Яу2еп 7 составляют 8 мин для трапецеидальной структуры и 3,5 мин для прямоугольной.
Для моделирования воздействия радиации применен следующий прием, сокращающий суммарные затраты времени на расчет. Выбран наиболее проблемный модуль с минимальной длиной канала структуры ЕтБЕТ, равной 30 нм, и для него исследовано воздействие облучения на электрические характеристики. После чего с помощью моделирования получена зависимость величины захваченного заряда на границе раздела диэлектрик - полупроводник от дозы радиации. Зависимость, приведенная на рис.3, аппроксимирована аналитическим выражением, используемым в дальнейшем без подгонки и уточнения для моделирования других приборов с большей длиной канала. В связи с тем что в настоящей работе рассматривается структура ЕтБЕТ, выполненная по технологии на объемном кремнии, воздействие этого заряда на электрические характеристики нивелируется наличием «стоп-области» с повышенной концентрацией легирования, расположенной под «плавником» на одном уровне с БТ1 (см. рис.1,а). Благодаря этой области положительный заряд, захваченный ловушками в БТ1, не вызывает дополнительного обеднения носителей в «плавнике».
В эксперименте наблюдаются два основных эффекта: небольшое, в пределах 0,02 В, уменьшение порогового напряжения и увеличение максимальной проводимости «плавника» не более чем на 10 %. Слабое воздействие излучения на пороговое напряжение объясняется тем, что при облучении в оксиде кремния накапливается положительный заряд, а в оксиде гафния - отрицательный. В результате они частично компенсируют друг друга и суммарно незначительно влияют на работу структуры ЕтБЕТ [10].
7-Ю11
" 1 • ю J-
0 200 400 600 800 1000 1200 Доза облучения, крад
Рис.3. Зависимость плотности ловушек на границе раздела диэлектрик - полупроводник от дозы облучения (сплошная кривая) и ее
аппроксимация (пунктирная кривая) Fig.3. Dependence of the trap densities at the dielectric - semiconductor interface on the radiation dose (solid curve) and its approximation (dotted curve)
Увеличение максимальной проводимости связано с накоплением положительного заряда в диэлектрическом слое, разделяющем затворную структуру и области стока-истока. Этот заряд, притягивая электроны, уменьшает последовательное сопротивление транзистора и увеличивает его максимальную проводимость [25].
Параметры структуры FinFET, полученные с помощью моделирования и эксперимента для трех длин канала и разных доз облучения, приведены в табл.2.
Таблица 2
Параметры FinFET-модуля с длиной канала 30, 40, 60 нм
Table 2
Parameters of FinFET module with a channel length of 30, 40, 60 nm
Доза облучения, крад Iof, нА SS, мВ/декада Vh, мВ SVth, мВ gm max, мкСм
Опыт Модель Опыт Модель Опыт Модель Опыт Модель Опыт Модель
Длина канала 30 нм
0 0,22 0,33 82 80 249 250 - - 238 238
100 0,23 0,36 82 82 238 242 11 8 244 244
300 0,22 0,35 81 81 240 244 9 6 247 244
500 0,25 0,37 82 82 236 240 13 10 248 245
1000 0,20 0,37 83 82 233 239 16 11 248 246
Длина канала 40 нм
0 0,80 0,90 108 107 210 184 - - 221 226
100 1,11 1,20 111 107 201 174 9 10 238 242
300 1,04 1,28 111 107 202 168 8 16 248 245
500 1,03 1,40 107 106 199 165 11 19 250 248
1000 1,62 1,40 106 105 187 164 23 20 251 250
Длина канала 60 нм
0 0,41 0,25 89 87 292 297 - - 210 215
100 0,43 0,25 89 88 285 286 7 11 225 227
300 0,35 0,27 88 88 277 278 15 19 229 230
500 0,43 0,27 87 89 272 276 20 21 231 231
1000 0,45 0,27 89 89 264 274 27 23 232 233
Полученные результаты полностью согласуются с результатами других работ [10, 24, 26] для суб-100-нм структур FinFET на объемном кремнии.
Относительно недавно появились работы, в которых экспериментально исследованы характеристики необлученных и облученных структур FinFET, изготовленных по суперсовременной технологии с проектными нормами 7 нм, однако ТСАО-модели для расчета этих структур не разработаны.
Предлагаемая радиационная ТСАО-модель адаптирована к расчету 7-нм структур FinFET. На рис.4 приведены параметры и статические ВАХ структуры FinFET с длиной канала 16,5 нм, изготовленной по 7-нм технологии [27]. Погрешность расчета по сравнению с экспериментом не превышает 15 %. На рис.5 показаны результаты воздействия ионизирующего излучения на 14-нм структуру FinFET, изготовленную по 7-нм технологии [4]. Расчетные результаты удовлетворительно совпадают с экспериментальными в диапазоне доз до 1 Мрад.
Parameters Value
Gate Pitch 56 nm
FinPitch 30 nm
Channel Length 16.5 nm
Wfin top 5.6 nm
Wfin mid 7.1 nm
Wfin bottom 10.1 nm
Hfin 35.6 nm
Hfin bottom 40 nm
EOT 0.7 nm
Orientation <110>/(001)
VGG 0.75 V
а
О 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00
Напряжение на затворе, В б
Рис.4. Параметры (а) и статические ВАХ (б)
7-нм структуры FinFET [27]:-эксперимент;
• - TCAD-моделирование Fig.4. 7-nm FinFET structure parameters (a) and
static IdVg characteristics (b): - experiment;
• - TCAD-modeling
в г
Рис. 5. Радиационные зависимости основных параметров (а—в) структуры FinFET,
изготовленной по 7-нм технологии [4] (г): • - эксперимент;-TCAD-моделирование
Fig.5. Radiation dependences of the main FinFET parameters (a-c) fabricated using 7-nm technology [4] (d): • - experiment;-TCAD-simulation
Заключение. Разработанная радиационная версия TCAD-модели структуры FinFET на объемном кремнии учитывает воздействие ионизирующего излучения на электрические характеристики прибора. В базовую коммерческую TCAD-модель введены новые радиационные зависимости для эффективной подвижности носителей заряда в канале, объемной концентрации ловушек в подзатворных слоях оксидов SiO2 и HfO2 и боковой SiO2 щелевой изоляции, поверхностной концентрации ловушек на границах кремний - диоксид.
Проведены расчеты ВАХ и основных параметров FinFET-транзисторов на объемном кремнии с размерами канала суб-100 нм, изготовленных по традиционным технологиям, а также с размерами 14-7 нм для суперсовременных структур. Сравнение результатов моделирования и эксперимента для ВАХ в диапазоне доз облучения до 1,0 Мрад показало, что погрешность расчетов не превышает 15 %.
Литература
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 Transactions 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. 16. 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 transients in SOI FinFETS // 2013 IEEE International Reliability Physics Symposium (IRPS). Monterey: 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 dependent 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. SchenkA. 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 Engineering. 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 радиационных 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
Поступила в редакцию 11.05.2021 г.; после доработки 11.05.2021 г.; принята к публикации 08.07.2021 г.
Петросянц Константин Орестович - доктор технических наук, профессор департамента электронной инженерии Московского института электроники и математики им. А.Н. Тихонова Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» (Россия, 123592, г. Москва, ул. Таллинская, 34), главный научный сотрудник Института проблем проектирования в микроэлектронике Российской академии наук (Россия, 124365, г. Москва, г. Зеленоград, ул. Советская, 3), [email protected]
Силкин Денис Сергеевич - кандидат технических наук, научный сотрудник департамента электронной инженерии Московского института электроники и математики им. А.Н. Тихонова Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» (Россия, 123592, г. Москва, ул. Таллинская, 34), [email protected]
Попов Дмитрий Александрович - кандидат технических наук, старший преподаватель департамента компьютерной инженерии Московского института электроники и математики им. А.Н. Тихонова Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» (Россия, 123592, г. Москва, ул. Таллинская, 34), [email protected]
Бо Ли - PhD, профессор, руководитель лаборатории Института микроэлектроники Китайской академии наук (Китай, 100029, г. Пекин, Бэйтучэн Вест Роуд, 3), [email protected]
Сюй Чжан - PhD, профессор, руководитель лаборатории Института микроэлектроники Китайской академии наук (Китай, 100029, г. Пекин, Бэйтучэн Вест Роуд, 3), zhangxu [email protected]
References
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, pp. 1-7. DOI: https://doi.org/10.1109/ CICC.2012.6330653
2. Lee H.-J., Rami S., Ravikumar S., Neeli V., Phoa K., Sell B., Zhang Y. Intel 22nm FinFET (22FFL) process technology for RF and mm wave applications and circuit design optimization for FinFET Technology. 2018 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM). San Francisco, IEEE, 2018, pp. 14.1.1-14.1.4. DOI: https://doi.org/10.1109/IEDM.2018.8614490
3. Zhang Q., Wang C., Wang H., Schnabel C., Park D.-G., Springer S.K., Leobandung E. Experimental study of gate-first FinFET threshold-voltage mismatch. IEEE Transactions on Electron Devices, 2014, vol. 61, iss. 2, pp. 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, United States. Available at: https://www.osti.gov/servlets/purl/1474226 (accessed: 31.05.2021).
5. King M.P., Wu X., Eller M., Samavedam S., Shaneyfelt M.R., Silva A.I., Draper B.L., Rice W.C., Meisenheimer T.L., Felix J.A., Zhang E.X., Haeffner T.D., Ball D.R., Shetler K.J., Allse M.L., Kauppila J.S., Massengill L.W. Analysis of TID process, geometry, and bias condition dependence in 14-nm FinFETs and implications for RF and SRAM performance. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2017, vol. 64, iss. 1, pp. 285-292. DOI: https://doi.org/10.1109/TNS.2016.2634538
6. Hughes H., McMarr P., Alles M., Zhang E., Arutt C., Doris B., Liu D., Southwick R., Oldiges P. Total ionizing dose radiation effects on 14 nm FinFET and SOI UTBB technologies. 2015 IEEE Radiation Effects Data Workshop (REDW). Boston, IEEE, 2015, pp. 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. CCSD. Available at: 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. CCSD. Available at: 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, pp. 1-3. DOI: https://doi.org/10.1109/S3S.2018.8640161
10. Li B., Huang Y.-B. Yang L., Zhang Q.-Z., Zheng Z.-S., Li B.-H., Zhu H.-P., Bu J.-H., Yin H.-X., Luo J.-J., Han Z.-S., Wang H.-B. Process variation dependence of total ionizing dose effects in bulk nFinFETs. Microelectronics Reliability, 2018, vol. 88-90, pp. 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 transients in SOI FinFETS, 2013 IEEE International Reliability Physics Symposium (IRPS). Monterey, IEEE, 2013, pp. 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, pp. 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 dependent DC FinFET variability analysis. 2018 13th European Microwave Integrated Circuits Conference (EuMIC). Madrid, IEEE, 2018, pp. 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, pp. 2094-2105. DOI: https://doi.org/10.1109/TVLSI.2012.2227848
15. Nawaz M., Molzer W., Haibach P., Landgraf E., Roesner W., Staedele M., Luyken H., Gencer A. Semiconductor science and technology validation of 30 nm process simulation using 3D TCAD for FinFET devices. Semiconductor Science and Technology, 2006, vol. 21, no. 8, pp. 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, pp. 511-513. DOI: https://doi.org/10.1109/LED.2002.802679
20. Lima L.P.B., Dekkers H.F.W., Lisoni J.G., Diniz J.A., Van Elshocht S., De Gendt S. Metal gate work function tuning by Al incorporation in TiN. Journal of Applied Physics, 2014, vol. 115, iss. 7, pp. 074504-1-074504-5. DOI: https://doi.org/10.1063/L4866323
21. Wang X.-R., Jiang Y.-L., Xie Q., Detavernier C., Ru G.-P., Qu X.-P., Li B.-Z. Annealing effect on the metal gate effective work function modulation for the Al/TiN/SiO2/p-Si structure. Microelectronic Engineering, 2011, vol. 88, iss. 5, pp. 573-577. DOI: https://doi.org/10.1016/j.mee.2010.06.029
22. Petrosyants K.O., Popov D.A., Bykov D.V. TCAD simulation of dose radiation effects in sub-100 nm high-k MOSFET structures. Izvestiya vuzov. Elektronika = Proceedings of Universities. Electronics, 2017, vol. 22, no. 6, pp. 569-581. (In Russian). 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 & Transducers, 2018, vol. 227, no. 11, pp. 42-50.
24. El Mamouni F., Zhang E.X., Schrimpf R.D., Fleetwood D.M., Reed R.A., Cristoloveanu S., Xiong W. Fin-width dependence of ionizing radiation-induced subthreshold-swing degradation in 100-nm-gate-length FinFETs. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2009, vol. 56, no. 6, pp. 3250-3255. DOI: https://doi.org/ 10.1109/TNS.2009.2034155
25. Pease R.L., Clark S.D., Cole P.L., Krieg J.F., Pickel J.C. Total dose response of transconductance in MOSFETs at low temperature. IEEE Transactions on Nuclear Science, 1994, vol. 41, no. 3, pp. 549-554. DOI: https://doi.org/10.1109/23.299797
26. Chatterjee I., Zhang E.X., Bhuva B.L., Reed R.A., Alles M.L., Mahatme N.N., Ball D.R., Schrimpf R.D., Fleetwood D.M., Linten D., Simôen E. Geometry dependence of total-dose effects in bulk FinFETs. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2014, vol. 61, no. 6, pp. 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, pp. 93-96. DOI: https://doi.org/ 10.1109/SMACD.2019.8795254
Received 11.05.2021; Revised 11.05.2021; Accepted 08.07.2021. Information about the authors:
Konstantin O. Petrosyants - Dr. Sci. (Eng.), Prof. of the Electronic Engineering Department of the Moscow Institute of Electronics and Mathematics, National Research University Higher School of Economics (Russia, 123458, Moscow, Tallinskaya st., 34), Chief Researcher of the Institute for Design Problems of Microelectronics of Russian Academy of Sciences (Russia, 124365, Moscow, Zelenograd, Sovetskaya st., 3), kpetrosyants@hse .ru
Denis S. Silkin - Cand. Sci. (Eng.), Scientific Researcher of the Electronic Engineering Department of the Moscow Institute of Electronics and Mathematics, National Research University Higher School of Economics (Russia, 123458, Moscow, Tallinskaya st., 34), [email protected]
Dmitry A. Popov - Cand. Sci. (Eng.), Senior Lecturer of the Computer Engineering Department of the Moscow Institute of Electronics and Mathematics, National Research University Higher School of Economics (Russia, 123458, Moscow, Tallinskaya st., 34), [email protected]
Bo Li - PhD, Prof., Chief of Laboratory, Institute of Microelectronics of the Chinese Academy of Sciences (China, 1000293, Beijing, Chaoyang District, Beitucheng West Road, 3), [email protected]
Xu Zhang - PhD, Prof., Chief of Laboratory, Institute of Microelectronics of the Chinese Academy of Sciences (China,1000293, Beijing, Chaoyang District, Beitucheng West Road, 3), [email protected]
