采用带气隙间隔层的无硅衬底（Silicon-On-Nothing, SON）结构纳米片场效应晶体管（Nanosheet Field-Effect Transistor, NSFET）的单粒子瞬态（Single Event Transient, SET）加固技术研究

《Micro and Nanostructures》：Single event transient mitigation in nanosheet FET using Silicon-On-Nothing architecture with an air-gap spacer

　　

单粒子瞬态（Single-Event Transients, SETs）是工作在辐射严苛环境中的纳米片场效应晶体管（Nanosheet Field-Effect Transistors, NSFETs）面临的主要可靠性挑战。研究人员针对所提出的带气隙间隔层的无硅衬底（Silicon-On-Nothing, SON）NSFET与传统NSFET，在三种不同区域开展离子辐照效应研究，以确定器件的最敏感位置。研究人员获取了粒子诱导的产生率及相应的收集电荷，并在维持线性能量转移（Linear Energy Transfer, LET）恒定为10 MeV·cm2/mg的条件下，将分析进一步拓展至入射角为0°、45°和90°的场景。研究人员还评估了粒子轰击导致的最大沟道温升，以评价热鲁棒性。此外，研究人员针对漏区重离子轰击开展了宽LET范围的特性分析，并分析了网格密度、离子径迹半径、偏置电压和温度等仿真参数对瞬态响应灵敏性的影响。研究人员对比了两种NSFET器件的SET电流与电荷收集特性，并利用D锁存器分析了带气隙间隔层的SON-NSFET的单粒子翻转（Single-Event Upset, SEU）响应。该器件凭借气隙隔离抑制的电荷收集效应与降低的寄生电容，表现出优异的重离子诱导瞬态免疫能力，是耐辐射先进互补金属氧化物半导体（CMOS）技术的可行候选方案。

带气隙间隔层的无硅衬底纳米片场效应晶体管的单粒子瞬态加固研究解读

随着互补金属氧化物半导体（CMOS）技术节点的持续微缩，纳米片场效应晶体管（Nanosheet Field-Effect Transistor, NSFET）凭借优异的栅极静电控制能力与驱动能力，成为5 nm及以下技术节点的主流器件架构。然而，航天、航空电子、高能物理系统等辐射严苛场景中的应用，使得NSFET面临严重的单粒子效应威胁。高能粒子轰击会在器件内部产生过量电子-空穴对，引发单粒子瞬态（Single-Event Transient, SET），这类暂时性电扰动可在逻辑电路中传播，最终导致单粒子翻转（Single-Event Upset, SEU）与功能故障。短沟道效应在小尺寸多栅器件中愈发显著，临界电荷降低与电场增强进一步提升了SET敏感性，漂移输运、扩散与寄生双极放大等电荷收集机制均会加剧SET响应。现有电路级加固方案往往伴随面积、功耗与性能的大幅损耗，因此器件结构级加固成为研究重点。已有研究尝试浅槽隔离（STI）、底部介质隔离等方案，但间隔层的高介电常数仍会引入寄生电容，而传统体硅NSFET仍存在衬底辅助电荷收集路径。针对上述瓶颈，研究人员提出融合无硅衬底（Silicon-On-Nothing, SON）结构与气隙间隔层的新型NSFET架构，旨在同时抑制寄生电容与衬底电荷收集，提升辐射环境下的可靠性。该研究成果发表于《Micro and Nanostructures》。

研究人员采用三维技术计算机辅助设计（Technology Computer-Aided Design, TCAD）工具开展仿真研究，未涉及实体样本队列。核心方法包括：构建三层纳米片沟道的传统NSFET与带气隙间隔层的SON-NSFET三维模型，其中源漏区掺杂浓度为1×10²⁰cm^-3，沟道掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3；采用重离子辐照仿真模型，固定线性能量转移（Linear Energy Transfer, LET）为10 MeV·cm²/mg，设置0°、45°、90°三种入射角度，覆盖源、沟道、漏三个轰击区域；通过参数扫描分析网格密度、离子径迹半径、偏置电压与温度对瞬态响应的影响；结合D锁存器电路仿真验证器件的单粒子翻转（SEU）响应特性。

器件设计与仿真

研究人员首先完成了两种NSFET的结构建模与校准，明确SON-NSFET的核心特征：沟道下方无氧化层支撑，形成空气间隙，配合侧墙气隙间隔层，从结构上阻断衬底辅助电荷传输路径。仿真设置了统一的工艺参数与偏置条件，确保对比研究的公平性。

结果与讨论

研究人员通过对比辐照前后的器件特性，明确了敏感区域与加固机理。电荷收集分析显示，源端对离子轰击的敏感性最低，漏区为最敏感区域，这与漏端高电场下的电荷收集效率直接相关。针对漏区轰击的LET扫描结果表明，所提SON-NSFET相比传统NSFET整体实现51%的电荷收集降低。电场、电子浓度、静电势与能带分布仿真证实，气隙间隔层与SON结构可显著降低寄生电容，同时抑制衬底方向的电场延伸，减少扩散与漂移共同作用的电荷收集总量。热分析结果显示，粒子轰击引发的沟道最高温升低于传统NSFET，验证了结构的热鲁棒性。入射角度影响研究表明，0°垂直入射时电荷收集峰值最高，随入射角增大呈下降趋势，但所提结构在全角度范围内均保持更低的瞬态电流幅值。D锁存器电路仿真进一步证实，SON-NSFET的SEU阈值显著高于传统结构，可有效降低软错误率。参数敏感性分析表明，网格密度与离子径迹半径是影响仿真精度的关键因素，需在辐射效应仿真中严格控制。

结论

研究人员通过系统的三维TCAD仿真证实，带气隙间隔层的SON-NSFET可同时实现寄生电容抑制与衬底电荷收集阻断，在漏区重离子轰击场景下实现51%的电荷收集降低，全入射角度范围内SET电流幅值更低，D锁存器级的SEU免疫能力提升，且具备更优的热稳定性。该结构无需额外工艺复杂度的大幅提升，与现有CMOS工艺兼容，为先进节点的耐辐射集成电路设计提供了可行的器件解决方案。研究结果为辐射环境用NSFET的结构优化提供了量化参考，也为后续实验流片与辐射测试奠定了理论基础。