薄层电荷模型的探讨

在SEGR的失效机制分析中，认为高电场通过跨越厚外延层漏区后被初次降落，然后被转移作用在栅氧化层区。对N沟道MOSFET器件来说，电子被吸引到正偏压漏极区，空穴被吸引到接地区或处于负偏压的栅极区。如图3-42所示，为了在物理上说明栅氧化层电场的增加方式和过程，就需要了解载流子沿电离路径的传输方式和载流子的径向扩散方式。为了说明这些问题，Brews提出了类似于描述横向MOSFET器件的薄层电荷模型，详细的薄层电荷模型可以参阅有关技术文献，本节主要说明基于该模型对离子撞击产生SEGR机制的解释。

在他们提出的薄层电荷模型中，电流源被用来模拟沿着离子径迹流向Si-SiO2界面的空穴电流，为了表征电子-空穴的径向扩散过程，电流源的大小被描述为随着时间的变化而呈指数衰减，空穴沿Si-SiO2表面的传输路径被等效描述为具有一定分布方式的R-C线，图3-42所示的电路模型表示了这一点。分布式R-C线的参数采用薄层电荷模型计算给出具体数值，即将分布式电阻和反型层空穴的面积密度联系起来。这个模型没有说明电场是否能够持续较长时间或出现SEGR，但依据该模型，可以说明MOSFET器件的单粒子栅击穿敏感性。很明显，如果电路的RC时间常数越小，那么空穴流向接地的速度越快；也就是说，如果流向接地的阻性通路长度减小，或者氧化层或耗尽层电容变小，那么MOSFET器件的单粒子栅击穿敏感性降低。

从前面叙述知道，当N型的凹槽区域发生离子撞击后，电子通过正向偏压被引向漏极，空穴被驱动到接地栅电极下方的氧化物界面处。当电子从局部电离径迹中漂移并扩散到整个漏极区域时，过程中会遇到扩散电阻。伴随电子流而产生的局部电阻压降（IR）将器件内部电位势分布会推向更深层。也就是说，在电离径迹的漏极端，漏极电压会散布在更长的距离上，从而导致其间内部电场强度的整体降低。

为了说明氧化物电场的增加，我们考虑空穴收集过程。在N型的凹槽区域和栅极氧化物之间的界面处，空穴被驱动向电离径迹的氧化物端，这些累积空穴在栅电极中将感应出镜向电荷分布，从而增加了氧化物电场强度。简化的电路模型情况如图3-42所示。该电路中的集总电容器CIS表示与电离径迹的氧化物端相邻的界面区域的电荷存储能力，电阻Rs表示从撞击电离径迹沿着Si-SiO2界面的泄漏路径。氧化物电场累积的程度取决于空穴到达速率（由If（t）确定）与空穴到接地点的出口速率之差，具体由电路的时间常数RC所确定，该电路时间常数为RsCIS。在薄层电荷模型中，假设撞击电离径迹在MOSFET器件内部表面施加了一个瞬态电流If（t），在该电流的表达式中，虽然可以使用一般的时间依赖性方式，但为简单起见，If（t）可以简单地表示为：

式中，T是电离径迹寿命，由径迹等离子体鞘内的漂移和扩散所确定；If0是t=0时的径迹电流；IfB是初始瞬态电流衰减之后形成的径迹电流（t＞T）。相关仿真分析表明，在氧化物电场比较大的时间内，If（t）的形式与使用器件仿真软件包MEDICI进行数值模拟所得的结果相符。(www.xing528.com)

上述的基于电荷模型的电路模型只是一种简化说明。实际上，离子撞击器件后，最有可能导致SEGR发生的区域应当在距P体足够远的地方，该区域会在扩散使“空穴”与P体接触之前，大量收集它们。在这样的一种条件下，界面存储电容器会通过代表表面反转层的分布式R-C线接地，这种分布的R-C线模拟了从电离径迹向接地的扩散方式，而不是如图3-42的集总电路所暗示的那样允许立即进入接地。研究工作者通过薄层电荷模型对这种分布式R-C线进行了进一步建模分析，用来描述通过体接触从电离径迹收集空穴的过程。薄层电荷模型表明空穴收集过程是一种非线性扩散过程，采用非线性扩散方程进行具体求解。对于较大的空穴密度，非线性会由于其自电场而增加空穴的扩散速率。

图3-42　基于薄层电荷模型的电路模型示意图