Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Создание радиационно-стойких субмикронных СБИС для применения их в космических аппаратах, ядерной и военной промышленности является одной из актуальных проблем современной микроэлектроники. Приборно-технологическое моделирование позволяет существенно упростить задачи разработки СБИС повышенной стойкости.
К СБИС, предназначенным для применения в космических аппаратах, предъявляется ряд специфических требований: малое энергопотребление, малые габаритные размеры, широкий диапазон рабочих температур, высокая радиационная стойкость. Одним из важнейших параметров, определяющих радиационную стойкость КМОП СБИС, является устойчивость работы схемы в условиях стационарного ионизирующего излучения. Можно выделить несколько фундаментальных проблем возникающих при воздействии стационарного ионизирующего излучения, характерных для современных КМОП технологий:
сдвиг порогового напряжения,
деградация крутизны (подвижности) и подпорогового размаха передаточной характеристики,
появление дополнительных токовых утечек.
В связи с переходом к субмикронным технологиям доминирующим механизмом деградации КМОП элементов становятся радиационно -индуцированные токи утечки, их устранение является основой задачей современных методик разработки радиационно-стойких СБИС.
Существуют технологические и конструктивно-топологические методы повышения стойкости интегральных микросхем (ИМС) к дозовым эффектам. Технологические методы предполагают внесение изменений в техпроцесс, а конструктивно-топологические методы позволяют повысить радиационную стойкость в рамках существующей коммерческой технологии.
По своей конструкции радиационно-стойкие СБИС делятся на два типа: выполненные по технологии КНИ (Кремний На Изоляторе) и выполненные по технологии объёмного кремния. В КНИ СБИС осуществляется полная диэлектрическая изоляция дискретного транзистора, в связи с чем автоматически решаются проблемы межтранзисторных ра-диационно-индуцированных утечек. Однако ввиду того, что активная область транзистора находится на слое толстого скрытого окисла (buried
oxide, BOX) возникают дополнительные механизмы токовых утечек. Кроме того в КНИ СБИС присутствуют некоторые паразитные эффекты, отсутствующие в объёмной технологии.
В отличие от КНИ, в объёмных СБИС присутствуют обе составляющие радиационно-индуцированного тока утечки (межтранзисторная и внутритранзисторная составляющие) в связи с наличием толстых диэлектрических слоев. Однако себестоимость производства СБИС на объёмном кремнии существенно ниже, чем на КНИ.
Современные радиационно-стойкие транзисторы, выполненные по технологии КНИ (Кремний На Изоляторе) и по технологии объёмного кремния имеют один общий недостаток - существенное возрастание площади дискретного транзистора, занимаемой на кристалле.
Таким образом, оптимальной методикой повышения радиационной стойкости современных субмикронных КМОП СБИС будет такая, которая обеспечит необходимой уровень стойкости по критерию накопленной дозы ионизирующего излучения и при этом не приведет к существенному возрастанию площади единичного транзистора.
Цель диссертации заключается в разработке конструктивно-технологических методов повышения радиационной стойкости глубоко-субмикронных СБИС, по критерию накопленной дозы стационарного ионизирующего излучения, без увеличения площади СБИС.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
Анализ деградации свойств КМОП элементов СБИС под воздействием ионизирующего излучения. Разделение составляющих радиационно-индуцированной утечки.
Анализ достоинств и недостатков существующих конструктивно-технологических методов повышения радиационной стойкости СБИС.
Разработка методов повышения радиационной стойкости глубоко-субмикронных СБИС на примере технологии 0.18 мкм.
Моделирование технологического маршрута изготовления транзистора повышенной радиационной стойкости с помощью средств приборно-технологического моделирования.
Моделирование воздействия ионизирующего излучения. Расчет различных составляющих радиационно-индуцированной утечки с помощью средств приборно-технологического моделирования.
Расчет ВАХ, пробивных и пороговых напряжений, с целью
выявления паразитного влияния вносимых изменений на
электрические параметры транзистора.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
-
Результаты исследования влияния стационарного ИИ на КМОП элементы СБИС.
-
Разработанная методика повышения радиационной стойкости КМОП СБИС с помощью формирования охранных областей.
-
Разработанная методика повышения радиационной стойкости КМОП СБИС с помощью формирования модифицированного Р-кармана.
-
Методика оценки воздействия ионизирующего излучения с помощью средств приборно-технологического моделирования.
-
Оценка возможностей разработанных методик для повышения радиационной стойкости КМОП СБИС с проектными нормами 0,18 мкм.
Научная новизна диссертации:
С помощью средств приборно-технологического моделирования установлены основные закономерности влияния конструктивно-технологических параметров глубоко-субмикронных МОП транзисторов на напряжение пробоя и токи утечек, индуцированные воздействием стационарного ионизирующего излучения, а именно:
Установлено, что для глубоко-субмикронных МОП транзисторов характерно наличие ретроградного кармана, имеющего область пониженной концентрации, и объяснено ее негативное влияние на стойкость к воздействию стационарного ионизирующего излучения, объясняемое зависимостью дозового порога образования радиационно-индуцированной утечки от концентрации примесей Р-типа на пути протекания данной утечки.
Установлена зависимость пробивного напряжения от профиля распределения примесей Р-типа в кармане N-канального МОП транзистора. Особенностью данной зависимости является низкое влияние формы профиля распределения примесей, объясняемое тем, что местом пробоя явля-
ется локальная область под затвором, имеющая максимальную концентрацию примесей Р-типа.
Установлено что стойкость глубоко-субмикронных N- ка
нальных МОПТ к воздействию стационарного ионизирую
щего излучения можно существенно повысить без увеличе
ния размеров, что объясняется возможностью формирования
Р-охранных областей вплотную к областям N+-стока/истока
без деградации пробивного напряжения.
Практическая значимость диссертации заключается в следующем:
-
Разработана методика оценки воздействия стационарного ИИ на элементы КМОП СБИС с помощью приборно-технологического моделирования в среде TCAD Sentauras.
-
Разработана методика повышения радиационной стойкости КМОП СБИС к стационарному ИИ без изменения конструкции элементов при помощи дополнительной ионной имплантации.
-
Разработана технологическая методика формирования Р-карманов различных N-канальных транзисторов (входа-выхода, с низкими токами утечек) на примере технологии с проектными нормами 0,18 мкм.
-
С помощью средств приборно-технологического моделирования доказана работоспособности и применимость разработанной методики на примере конкретной субмикронной технологии HCMOS8 с проектными нормами 0,18 мкм.
-
Результаты диссертационной работы были использованы в опытно-конструкторских и технологических работах ООО «Ситроникс-МД» и ОАО «НИИМЭ и Микрон».
Апробация результатов диссертации. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
V Всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектрон-ных систем», Москва, 2012;
19-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика- 2012», Зеленоград, 2012;
18-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика- 2011», Зеленоград, 2011;
Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых «ВНКСФ-17», Екатеринбург, 2011;
17-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика- 2010», Зеленоград, 2010.
Опубликованные результаты. По теме диссертации опубликовано 2 статьи в российских научно-технических журналах, рекомендованных ВАК; 4 тезиса докладов в сборниках российских научных конференций.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации -134 страницы. Диссертация содержит 58 рисунков. Список литературы содержит 80 наименований.
