Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Моделирование приборов кни технологии
1.1. Постановка задачи
1.2. Модель полностью обедненного КНИ мопт
1.2.1. Электростатика полностью обедненного КНИ МОПТ 14
1.2.2. Пороговое напряжение полностью обедненного КНИ МОПТ 16
1.2.3. Включение с нижним затвором 17
1.2.4. Влияние смещения на подложке на пороговое напряжение основного канала 17
1.3. Вольтамперная характеристика (ВАХ) КНИ МОПТ 18
1.3.1. Надпороговый режим работы ПО КНИ транзистора 18
1.3.2. Моделирование подпороговой характеристики ПО КНИ МОПТ 19
1.3.4. Результаты расчетов 20
1.4. Моделирование транзистора с двойным затвором (ДМОПТ)21
1.4.1. Электростатика ДМОПТ при симметричном включении 21
1.4.2. Диффузионный и дрейфовый ток в канале 23
1.4.3. Уравнение непрерывности для плотности тока в канале 25
1.4.4. Распределение плотности электронов вдоль канала 26
1.4.5. Время пролета электрона через длину канала 27
1.5. Вольтамперная характеристика (ВАХ) ДМОПТ 27
1.5.1. Два способа описания ВАХ ДМОПТ 27
1.5.2. Эффекты насыщения скорости 28
1.5.3. Баллистический транспорт носителей в канале 29
1.6. Выводы 31
ГЛАВА 2. Методы расчета радиациошіо-индуцированньгх токов утечки в транзисторах кмоп технологии «кремний-на-изоляторе»
2.1. Постановка задачи 32
2.2. Физическая механизмы радиационно-индуцированных токов утечки в моп транзисторах 32
2.2.1. Перенос и захват зарядов 33
2.2.2. Процессы релаксации захваченного заряда 34
2.2.3. Выход заряда в сильных полях 36
2.2.4. Радиационно-индуцированные токи утечки 36
2.3. Технология «кремний на изоляторе» (КНИ)37
2.3.1. Особенности КНИ технологий 37
2.3.2. Изоляция типа LOCOS и STI 40
2.3.3. Диэлектрическая изоляция мелкими канавками (sti) 41
2.4. Многоуровневый поход к моделированию радиационно-индуцированных токов утечки 43
2.4.1 .Физическая модель радиационно-индуцированных токов утечки 43
2.4.2. Результаты моделирования 45
2.4.3. Ток утечки после воздействия импульса ИИ
2.5. Экстракция параметров для spice моделирования токов утечки 49
2.6. Дозовые эффекты в наноэлектронных приборах 52
2.6.1. Мшфодозовые эффекты 53
2.6.2 Характеристики high-K диэлектриков и стойкость к микродозовым эффектам 53
2.7. ВЫВОДЫ
ГЛАВА 3. Моделирование аномальных эффектов низкой интенсивности в приборах биполярной и КМОП технологии
3.1. Постановка задачи 55
3.2. Особенности эффекта низкой интенсивности 55
3.3. Физическая модель усиления деградации при низкой интенсивности
3.4. Результаты расчетов зависимости выхода зарядов от мощности доз, температуры облучения и электрического поля 63
3.5. Моделирование конкуренции усиления выхода заряда и отжига при повышении температуры облучения и сравнение с экспериментом
3.5.1. Модель с одним типом дефекта 64
3.5.2. Модель с двумя типами рекомбинационных центров
3.6. Оптимизация процедуры испытаний 67
3.7. Эффекты низкой интенсивности в приборах моп-технологий
3.7.1. Эффекты ELDRS в МОП дозиметрах 69
3.7.2. Совместное описание эффекта временного логарифмического отжига и эффекта усиления выхода заряда при низкой интенсивности 70
3.7.3. Учет влияния эффектов низкой интенсивности на токи утечки в МОПтранзлсторах 71
3.8. Выводы 74
ГЛАВА 4. Схемотехническое моделирование параметров чувствительности ячеек памяти при воздействии сбоев тяжелых заряженных частиц и протонов космического пространства
4.1. Постановка задачи 75
4.2. Моделирование одиночных сбоев 78
4.2.1 Моделирование импульса ионизационного импульса тока, вызванного прохождением ТЗЧ 4.2.2. Физика переключения в ячейке статической памяти 79
4.2.3. Зависимость критического заряда ячейки статической памяти от ее схемотехнических параметров
4.2.4. Зависимость критического заряда ячейки статической памяти от дозы предварительного облучения
4.3. Паразитный биполярный эффект в КНИ КМОП ИМС 86
4.3.1. Физическое моделирование паразитного биполярного эффекта 86
4.3.2. Схемотехническое моделирование паразитного биполярного эффекта 88
4.3.3. Биполярный эффект и сбоеустойчивость ячейки памяти 89
4.3.4. Экспериментальное исследование биполярного эффекта в КНИ 91
4.4. Методы повышения сбоеустойчивости статической памяти 92
4.4.1. Повышение сбоеустойчивости стандартной ячейки памяти 92
4.4.2. Учет особенностей технологии на этапе проектирования 93
4.5. Перспективы развития наноразмерных радиационно-стойких кни кмоп технологий 4.6. Выводы 94
Глава 5. Методы расчета интенсивности одиночных сбоев от тяжелых заряженных частиц и протонов космического пространства
5. 1. Постановка задачи 95
5.2. Основные концепции и физические приближения модели 96
5.2.1. Основные приближения 96
5.2.2. Линейная передача энергии (ЛПЭ) 96
5.2.3. Чувствительный объем 97
5.2.4. Критическая энергия и критический заряд 97
5.2.5. Вероятность сбоя как стохастическая величина и функция чувствительности 98
5.2.6. Распределение длин хорд 99
5.2.7. Усреднение по ЛПЭ спектру 100
5.3. Общий метод вычисления частоты отказов
5.3.1. Общая формула 101
5.3.2. Области оптимальных сбоев 102
5.4. Связь с предыдущими работами 104
5.4.1. Подход Брэдфода 104
5.4.2. Подход Пикеля 104
5.4.3. Подход Адамса 104
5.4.4. Подход Питерсена (Figure-of-Merit approximation) 104
5.4.5. Метод эффективного потока (Effective Flux Approximation) 105
5.5. Феноменологический подход к расчету интенсивности сбоев 106
5.5.1. Метод расчета скорости сбоев, основанный на сечении 106
5.5.2. Расчет сечения с помощью усреднения по длинам хорд 106
5.5.3. Расчет интенсивности с помощью усреднения по углам 107
5.5.4. Экспериментальные аспекты
5.6. Программный комплекс «осот» для прогнозирования скорости одиночных сбоев в условиях космического пространства 109
5.7. Выводы 111
ГЛАВА 6. Моделирование эфектов ионизационного воздействия нейтронов на элементы кмоп технологий высокой степени интеграции
6.1. Постановка задачи 112
6.2. Механизмы ядерных взаимодействий
6.2.1. Неупругие взаимодействия 113
6.2.2. Упругие взаимодействия 1 із
6.2.3. Интенсивность нейтронно-индуцированных ядерных взаимодействий 114
6.2.4. Нейтронно-индуцированная ионизация 115
6.2.5. Эффективное значение флюенса вторичных частиц 11 б
6.3. Микродозиметрический аспект ионизации в чувствительных микрообъемах і і 7
6.3.1. Чувствительный объем 117
6.3.2. Оценка критического заряда по току утечки 118
6.3.3. Приближение малых объемов 119
6.3.4. Приближение больших объемов 119
6.4. Вероятности и сечения отказов 120
6.4.1. Сечение отказов при единичных событиях 120
6.4.2. Учет распределения вторичных частиц по ЛПЭ 124
6.5. Обратимые сбои от нейтронов и протонов 126
6.5.1. Корреляции между протонными и нейтронными сбоями 126
6.5.2. Оценка сечения насыщения отказов от нейтронных реакций 127
6.5.3. Расчет интенсивности нейтронно-индуцированных ядерных реакций в приближении большого чувствительного объема 128
6.6. Выводы 130
ГЛАВА 7. Схемотехническое моделирование радиационно индуцированной защелки в кмоп микросхемах при воздействии одиночных тяжелых ионов или импульсного излучения
7.1. Постановка задачи 131
7.2. Моделирование защелки от отдельной частицы
7.2.1. Двухтранзисторная эквивалентная схема паразитной тиристорной структуры 132
7.2.2. Моделирование зависимости критического заряда от параметров эквивалентной схемы 134
7.3. Моделирование защелки от импульсного ионизирующего излучения 135
7.3.1. Эквивалентная схема для моделирования глобальных ионизационных эффектов 135
7.3.2. Моделирование импульсного воздействия с учетом эффекта просадки
7.4. Моделирование эффекта окон 139
7.5. Методы борьбы с защелкой 142
7.6. Заключение 143
Заключение 144
Список литературы
- Пороговое напряжение полностью обедненного КНИ МОПТ
- Изоляция типа LOCOS и STI
- Физическая модель усиления деградации при низкой интенсивности
- Зависимость критического заряда ячейки статической памяти от ее схемотехнических параметров
Введение к работе
Актуальность диссертации
Современная микроэлектроника является наиболее быстроразвивающейся отраслью промышленности и лежит в основе информационных технологий, автоматизации и средств управления, космических и оборонных систем. Разработка перспективных приборов наноэлектроники (понимаемой здесь как микроэлектроника с проектными нормами менее 100 нм) и обеспечение надежного функционирования уже существующих микроэлектронных компонентов и интегральных микросхем (ИМС) является необходимым элементом инновационного развития и обеспечения стратегической безопасности государства. Основу современной микроэлектронной индустрии составляет кремниевые КМОП технологии, доминирующие в цифровой технике и биполярные технология, остающиеся основными в аналоговых схемах. Широкое использование этих технологий в промышленности (атомные электростанции), космических и военных системах, работающих в условиях внешних ионизирующих излучений (ИИ), делает актуальными задачи моделирования деградации их характеристик и нарушений работоспособности под воздействием постоянного и импульсного ИИ, а также отдельных частиц высокоэнергетического космического излучения.
Можно выделить несколько фундаментальных задач радиационной стойкости, характерных для компонентов и интегральных схем современной микроэлектроники:
радиационно-индуцированные токи утечки в приборах КМОП технологий;
эффекты усиления деградации при низкоинтенсивном облучении в приборах биполярной технологии;
одиночные радиационные эффекты обратимого и необратимого характера, связанные с воздействием высокоэнергетических частиц космического пространства;
эффекты радиационно-индуцированной защелки (паразитного тиристорного эффекта), являющиеся одной из главных проблем обеспечения стойкости современных КМОП технологий.
Моделированию этих эффектов посвящен основной материал предлагаемой диссертации. В силу сложности объекта моделирование должно носить многоуровневый характер и базироваться, по крайней мере, на физическом и схемотехническом уровне описания. Физический уровень моделирования описывает процессы деградации в материалах, структурах и приборах, поставляя выходные данные, которые могут использоваться как входные параметры для схемотехнического моделирования, в т.ч. с использованием стандартных систем автоматического проектирования.
Моделирование радиационных эффектов в интегральных микросхемах неотделимо от развития методов физического моделирования работы приборов и от всестороннего и комплексного исследования процессов деградации с целью развития методов предсказания радиационной стойкости и проектирования перспективных радиационно-стойких микроэлектронных компонентов и, с практической точки зрения, является одной из самых актуальных задач современных нанотехнологий.
Связь диссертации с крупными научными программами
В последние годы работа проводилась в Московском инженерно-физическом институте (Национальном исследовательском ядерном университете) в рамках следующих государственных отраслевых и научно-исследовательских работ:
1) программы Международного научно-технического центра (проекты 1003 и 0451);
2) федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения» в рамках подпрограммы «Перспективная элементная база микроэлектроники».
3) создание испытательного стенда на базе ускорителя ИТЭФ для испытаний микроэлектронных компонентов на воздействие одиночных частиц (протонов и тяжелых заряженных частиц), проводимых под эгидой Роскосмоса.
4) Разработка радиационно-стойких ИМС по технологии «кремний-на-изоляторе» с проектной нормой 0.5 и 0.35 мкм, проводимых в НИИСИ РАН в рамках отраслевой НИР «Аналитика».
5) Создание методики парирования аномальной работы передатчиков бортовой аппаратуры служебного канала управления спутника связи ЯМАЛ-100.
Цель диссертации заключается в разработке методов физического и схемотехнического моделирования работы приборов и устройств современных КМОП и биполярных технологий для описания поведения их характеристик в условиях воздействия ИИ разной мощности дозы для различных температур и электрических режимов, с последующим использованием результатов моделирования для разработки методик прогнозирования их радиационной стойкости и проектирования перспективной радиационно-стойкой элементной базы.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
Развитие предложенной автором усовершенствованной физической модели МОП транзистора на случай КНИ технологий с полностью и частично обедненным телом, с двойным затвором, а также на случай баллистического переноса носителей в канале, характерного для перспективных наноэлектронных технологий.
Моделирование процессов радиационно-индуцированного накопления и релаксации захваченного заряда в подзатворных окислах и толстых слоях боковой и донной изоляции STI и LOCOS типа современных МОП транзисторов КНИ и объемных технологий и его релаксации в ходе облучения и отжига как функции дозы, мощности дозы, температуры и электрического режима.
Разработка физических и схемотехнических методов расчета радиационно-индуцированных краевых и донных токов утечки, обусловленных захваченным зарядом в толстых слоях краевой изоляции, которые являются основным механизмом деградации в современных МОП транзисторах с ультратонкими подзатворными окислами (2…10 нм).
Развитие физической количественной модели аномального эффекта низкой интенсивности (т.н. Enhanced Low Dose Rate Sensitivity, ELDRS) в толстых полевых окислах (главным образом, приборов биполярной технологии) и метода прогнозирования этого эффекта.
Развитие методов физических и схемотехнических расчетов одиночных радиационных эффектов (ОРЭ), вызванных воздействием отдельных частиц (протонов, нейтронов, тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ)) и приводящих к обратимым сбоям (переключениям ячейки памяти) и необратимым отказам типа защелки (т.е. паразитному тиристорному эффекту, вызванному отдельной ионизирующей частицей).
Разработка методов и программы расчета интенсивности сбоев в цифровых элементах памяти под воздействием космического излучения (протоны, ТЗЧ) с учетом спектра космических частиц и параметров чувствительности ИМС, полученных в ходе наземных испытаний.
Научная новизна диссертации заключается в многоуровневом подходе к моделированию радиационных эффектов в элементах и ИМС, начиная от физического моделирования процессов материалах, приборах и приборных структурах с передачей информации для моделирования схемных эффектов на схемотехническом уровне. При этом были получены следующие новые научные результаты:
-
Предложенная ранее диффузионно-дрейфовая компактная модель МОП транзистора, основанная на явном решении уравнения непрерывности тока в канале и способная непрерывным образом описывать в аналитической форме вольтамперные характеристики (ВАХ) транзисторов во всех режимах работы, обобщена для современных приборов современных технологий «кремний-на-изоляторе» (КНИ) с полным и частичным обеднением, а также перспективных приборов объемной интеграции (транзисторы с двойным затвором). Модель позволяет описывать переход от случая диффузного переноса к случаю баллистического (бесстолкновительного) переноса, специфического для транзисторов с наноразмерными длинами каналов.
-
Разработана количественная модель радиационно-индуцированных краевых токов утечки из-за накопления зарядов в толстых слоях боковой изоляции STI типа, являющихся основным дозовым эффектом деградации в современных ИМС высокой степени интеграции. Впервые показано, что ограничение накопления заряда и токов утечки с увеличением толщины окисла осуществляется за счет зарядовой нейтрализации дефектов радиационно-индуцированными электронами, известный как RICN эффект. Предложена основанная на физической модели процедура экстракции SPICE параметров паразитных транзисторов эквивалентной схемы для автоматизированного расчета токов утечки с помощью современных САПР.
-
Впервые разработана аналитическая количественная модель известного эффекта усиления деградации при низкой интенсивности. Показано, что этот эффект определяется не конкретными механизмами деградации приборов (которые могут быть разными для разных технологий), а эффективностью выхода (разделения) радиационно-индуцированного заряда в толстых слоях изоляции. Наличие или отсутствие таких эффектов определяется температурой, толщиной слоя изоляции и величиной электрического поля в окисле вне зависимости от технологии.
-
Исследованы стохастические эффекты энерговыделения, накопления зарядов в окисле, а также сбоев связанные с неоднородным характером ионизации от воздействия отдельных частиц (протонов и тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ) космического излучения, а также вторичных атмосферных нейтронов).
-
Разработаны методы схемотехнического расчета параметров чувствительности статических ячеек памяти КМОП технологии при воздействии отдельных ТЗЧ и импульсного облучения.
-
Разработаны общие физико-математические подходы к расчету скорости сбоев от отдельных ионизирующих частиц для заданных спектров излучений космического пространства.
-
Исследованы схемотехнические методы моделирования радиационно-индуцированной защелки от воздействия отдельной частицы космического пространства. Предложен количественный подход к моделированию окон защелки при воздействии импульсного ионизирующего излучения.
Практическая значимость диссертации заключается в следующем:
-
Физическая модель радиационно-индуцированных краевых и донных токов утечки МОП транзисторов объемной и КНИ технологии, позволяет проводить детальные расчеты токов утечки, что позволило использовать модель в процессе оптимизации технологических параметров при проектировании радиационно-стойких элементов ИМС. Предложенная процедура определения SPICE параметров эквивалентных паразитных транзисторов позволяет передавать рассчитанные по физической модели константы для использования в стандартных системах схемотехнического проектирования типа SPECTRE CADENCE.
-
Разработанная физическая модель аномального эффекта низкой интенсивности (ELDRS) в приборах биполярной технологии дает возможность установления количественной эквивалентности между длительным низкоинтенсивным облучением и кратковременного облучения с высокой мощностью дозы в условиях повышенной температуры. Это открывает перспективы создания методики прогнозирования поведения параметров биполярных ИМС в условиях длительного низкоинтенсивного облучения космического пространства, основываясь на результатах лабораторных испытаний, что является одной из важнейших задач обеспечения радиационной стойкости и длительного срока активного существования микроэлектронных систем бортовой аппаратуры космических аппаратов.
-
Установленные механизмы и разработанные модели деградации позволяют сформулировать практические рекомендации для проведения ускоренных испытаний с целью адекватного прогнозирования долговременной радиационной стойкости и надежности элементов биполярных и КМОП технологий.
-
Разработанные методы расчета интенсивности одиночных сбоев, методики испытаний и обработки экспериментальных данных, а также соответствующие компьютерные программы, легли в основу программного комплекса ОСОТ, который предполагается основным расчетным средством для создаваемого под эгидой НИИКП и Роскосмоса испытательного центра на базе ускорителя ИТЭФ РАН для проведения испытаний изделий полупроводниковой электроники (ИПЭ) на воздействие одиночных протонов и ТЗЧ.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Развитие разработанной автором ранее диффузионно-дрейфовой физической модели МОП транзисторов на случай современных КНИ технологий полностью и частично обедненного типа, баллистического переноса и перспективных конфигураций объемной интеграции типа транзистора с двойным затвором.
-
Модель накопления и релаксации (отжига) радиационно-индуцированного заряда в толстых окислах боковой изоляции типа STI и дозовых зависимостей краевых и донных токов утечки.
-
Метод определения параметров SPICE параметров паразитных эквивалентных транзисторов для расчета радиационно-индуцированных токов утечки на схемном уровне с помощью схемотехнических САПР.
-
Количественная модель аномального эффекта низкой интенсивности в биполярных приборах. Вывод о том, этот эффект определяются не конкретными механизмами деградации приборов (которые могут быть разными для разных технологий), а эффективностью выхода (разделения) радиационно-индуцированного заряда в толстых слоях изоляции.
-
Модель совместного учета эффектов усиления выхода радиационного заряда и туннельного отжига захваченного заряда при снижении интенсивности ИИ, которая позволила объяснить слабовыраженный характер, либо отсутствие зависимости от мощности дозы токов утечки.
-
Метод расчета интенсивности сбоев в элементах памяти изделий полупроводниковой электроники, от космического пространства с учетом ЛПЭ спектров космических ТЗЧ солнечного и галактического происхождения для различных орбит и защит космических аппаратов.
-
Метод схемотехнического моделирования радиационно-индуцированной защелки в КМОП микросхемах при воздействии одиночных тяжелых ионов или импульсного излучения, позволяющий описать эффект «окон» защелки при импульсном облучении как следствие просадки локального напряжения на шинах питания.
Апробация результатов. Основные результаты диссертации докладывались на ежегодных Научных сессиях МИФИ (1999-2008); ежегодных всероссийских конференциях "Радиационная стойкость" (Лыткарино); Всероссийской конференции «Многомасштабное моделирование процессов и структур в нанотехнологиях» (ММПСН-2008); Международных конференциях в Молдове (1997, 2002), Румынии (1998); Международной конференции "International Conference on Micro- and Nanoelectronics" (ICMNE, 2001-2002, 2005, 2007), среди них 2 устных доклада; Европейской конференции по микроэлектронике MIEL (2000, 2002, 2004, 2006, 2008) (1 устный доклад); ежегодных американских конференциях IEEE NSREC (1996, 2000-2002); ежегодных Европейских конференциях RADECS (1995, 1999, 2001-2003, 2005, 2006, 2008, 2009).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 статей в российских научно-технических журналах, сертифицированных ВАК; 6 статей в международных журналах; 19 статей в рецензируемых научно-технических сборниках трудов международных конференций (Proceedings SPIE, MIEL, RADECS); ~ 20 тезисов докладов в сборниках российских научных конференций; главы в двух книгах (в т.ч. международного издательства); одна монография.
Личный вклад соискателя. Все теоретические результаты, модели, методы расчетов и интерпретации экспериментальных данных, приведенные в диссертации, получены и предложены лично соискателем. Компьютерные коды и расчеты разрабатывались и выполнялись совместно с учениками и аспирантами соискателя. Экспериментальные результаты, приведенные в диссертации, выполнены специалистами в сотрудничестве с НИИ приборов, СПЭЛС, НИИ системных исследований РАН, НИИ космического приборостроения, ИТЭФ. Вклад соавторов связан, главным образом, с обсуждением результатов и выполнением экспериментов.
Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 155 страниц. Диссертация содержит 72 рисунка. Список литературы содержит 179 наименований.
Диссертация организована следующим образом. В главе 1 описаны предложенные ранее автором модели работы МОП транзисторов, развитые для случая приборов КНИ технологий и перспективных наноэлектронных конфигураций. Глава 2 посвящена описанию моделей радиационно-индуцированных токов утечки в боковых слоях изоляции транзисторов современных технологий. В главе 3 описывается количественная модель усиления деградации при низкой интенсивности ИИ. Глава 4 посвящена схемотехническому моделированию параметров чувствительности КМОП ячеек памяти к воздействию отдельных частиц космического пространства. В главе 5 приведено описание метода и программы расчета интенсивности сбоев от отдельных частиц космического пространства. В главе 6 описаны модели влияния нейтронов на сбои в микроэлектронных компонентах. Наконец, в главе 7 представлен схемотехнический подход для моделирования защелки в КМОП структурах при воздействии отдельных частиц и импульсного излучения.
Пороговое напряжение полностью обедненного КНИ МОПТ
По причинам экономии времени практические системы схемотехнического проектирования никогда не используют сложные модели, требующие громоздких компьютерных расчетов для одного транзистора. Вместо этого при проектировании СБИС используется идеология «компактного моделирования», основанного на простых аналитических моделях, по возможности, отражающих основные процессы на физическом, феноменологическом или эмпирическом уровне [30]. Подходы такого рода заложены в системы моделей типа BSIM3v4, являющиеся промышленным стандартом проектирования. Необходимым условием такого подхода является полнота и физическая содержательность используемых аналитических выражений. Несмотря на это, даже описание эффекта первого порядка (например, эффекта насыщения тока) остается в стандартных компактных моделях типа BSIM3-4 физически неудовлетворительным. Аналитическое описание области В АХ, переходной от надпорогового к подпороговом режиму, а также от линейного участка к участку насыщения производится с помощью интерполяционных процедур. Идеологически, все существующие модели основаны на формальном интегрировании выражения для омического тока [31, 32]. Такой подход исключает возможность одновременного описания дрейфовой и диффузионной компоненты тока. Это, в свою очередь, приводит к кусочной форме описания вольтамперной характеристики отдельно для надпорогового її подпорогового участка, а также для линейного режима и режима насыщения тока транзистора. Это обстоятельство, а также подгоночный характер параметров моделей и формальные процедуры их экстракции приводит к тому, что эти параметры оказываются нефизичными.
Последовательное описание ВАХ с необходимостью требует решения уравнения непрерывности для тока в канале. Действительно, уравнение непрерывности для тока является неотъемлемой частью т.н. фундаментальной системы уравнений, включающей в себя также уравнение Пуассона с граничными условиями и уравнением непрерывности для плотности тока. К примеру, теория биполярного транзистора изначально базируется на решении уравнений непрерывности для плотности тока неосновных носителей в базе.
Именно такая модель, основанная на явном аналитическом решении уравнения непрерывности тока в канале, позволяющая получить в компактном виде замкнутые выражения для тока стока и распределений электрических полей, потенциалов и плотности носителей в канале при любом напряжении на затворе, предложена и развита автором для случая МОП транзисторов объемной технологии в работах и подробно описана в кандидатской диссертации автора [1, 3,4].
Развитая модель относится к классу моделей PSP (potential surface based), использующих поверхностный потенциал в качестве независимой переменной. Модели такого рода являются более физичными и рассматриваются как перспективная альтернатива подходам (типа BSIM), использующих в качестве независимой переменной напряжение на затворе. Все параметры формулы для тока стока выражаются явными функциями поверхностного потенциала IDijPs), а вся сложная электростатическая конфигурация транзистора независимо описывается выражением для связи затворного напряжения и поверхностного потенциала с{Vs), получаемой при решении уравнения Пуассона. Такой подход позволяет выделить моделирование электростатики слоистой структуры транзистора в отдельную задачу и дает возможность рассчитывать единым образом различные конфигурации приборов. В частности, это позволило обобщить модель на случай КНИ транзисторов с частично и полностью обедненным телом. Эти модели использовались для предварительной экстракции параметров для стандартных SPICE моделей и расчетов радиационно-индуцированных токов утечки в схемах КМОП КНИ технологиях 0.5 мкм, спроектированных в НИИСИ. Обобщенная модель КНИ транзисторов с полностью обедненным телом была опубликована в работе [33, 34] и подробно описана в монографии автора [35]. В этой главе эта модель описана в сокращенном виде.
Такой же подход дал возможность разработать модель транзистора с перспективной конфигурацией с двойным затвором (double gate transistor) [36], описанной в гл. 1 диссертации более подробно. Конфигурация транзистора с двойным затвором является развитием полностью обедненной КНИ технологии с очень тонким кремниевым телом и симметричным нижним затвором под тонким окислом вместо толстого скрытого окисла. Транзисторы с двойным затвором рассматриваются в настоящее время как предельная конфигурация КМОП технологии, обеспечивающая максимально возможную степень интеграции с длиной канала 8.. 10 нм и толщиной кремниевого тела до 3 нм.
Если не рассматривать эффекты плавающего потенциала тела, то работа частично обедненного КНИ МОП транзистора практически аналогична работе транзистора объемной технологии. Иначе дело обстоит с полностью обедненными КНИ МОПТ. Из-за эффекта электрической связи между двумя затворами, электростатика полностью обедненной КНИ структуры с двумя затворами не столь очевидна, как в случае частично обедненной или объемной технологии. В этом разделе будет описана электростатика полностью обедненных КНИ МОПТ.
Из-за практической важности вопроса рассмотрим электростатику с учетом заряда, захваченного в верхнем тонком подзатворном окисле (iVwl) и в нижнем скрытом окисле (Л 2). Заряды, захваченные в тонком верхнем и скрытом окислах, будем всегда считать расположенными вблизи раздела с кремниевым телом. верхний затвор -ХЧ vbody Si база (тело) Vox2 скрытый окисел (BOX) сильнолегированная Si подложка (нижний затвор)
Полное падение напряжения на всей толщине ПО КНИ структуры (рис. 1.1) складывается из падения напряжения в верхнем Vml, скрытом VOX2 окислах, а также в базе Vbd, причем падение напряжения в нижнем затворе (подложке) будем считать пренебрежимо малым. Используя закон Гаусса, условия электронейтральности и результаты гл. З в монографии [35], имеем выражение для напряжения, приложенного на верхний затвор VGF относительно истока: GB Hm2) + VCF = PGF,CB +- (ns+ NAds + NGB -Nmi -Nox2)+ - + - (N( Сг 2sv GB qNt c, (1.1)
Здесь введены следующие обозначения: С1(2) = є11йщ — удельные емкости верхнего (нижнего) затворов, С5 -ssjds — удельная емкость кремниевой базы, NA - уровень легирования кремниевого слоя. Разность работ выхода материалов верхнего и нижнего затвора определяет контактную разность потенциалов WFG.BG = WFG WBG (! -2) и для краткости введем обозначение для падения потенциала в полностью обедненной базе & PBD = (1-3) 2ss Как видно непосредственно из рис. 1.1, электрохимический потенциал (уровень Ферми) в базе и сильнолегированной подложке совпадают. Это означает, что они предполагаются закороченными и для определенности заземленными.
Изоляция типа LOCOS и STI
Под баллистическим транспортом обычно подразумевается случай, когда длина пробега по импульсу і становится сопоставимой или больше длины канала ( L) [46]. В таких условиях концепция подвижности и коэффициента диффузии теряет свой смысл, и сопротивление транзистора в линейном режиме перестает зависеть от длины канала. Одна из первых моделей баллистического транзистора была предложена в работе [47], где неравновесный поток электронов между стоком и истоком представлялся в виде в виде разности потоков электронов, идущих из истока и стока ID=qW(jV-jV)ccqWvF(ns(0)-ns{L)), (1.67) В конечном итоге считается, что ns(L) /ns(О) ее exp(VDS Іф,), что приводит к зависимости /floc(l-ехр(Г05/ )), вне зависимости от смещения на стоке и затворах. Недостатком такого подхода является то, что он плохо описывает переход между баллистическим и диффузным режимом.
Тем не менее, непрерывность тока и условие электронейтральности сохраняют свое значение, что позволяет обобщить предложенный подход на случай баллистического транспорта электронов в канале. Решение уравнение непрерывности для плотности тока в канале баллистического транзистора дает выражение для тока lW=±Wveffqns(0)\\-exV (1.68) Это соотношение может быть интерпретировано с точки зрения модели Natori-Lundstrom как разность потоков электронов. В линейном омическом режиме, когда Vm мало и/или к «1, получаем в невырожденном случае 1%" =WCoxVcirVDS . (1.69) jball _ и/ґ ах veffr DS При относительно больших VDS имеем %LT=\4W»S{O 0- (1-70)
Эта формула напоминает формулу для тока насыщения (1.66) для диффузного канала за одним исключением. Вместо максимальной дрейфовой скорости vSAT в (1.70) входит некоторая эффективная баллистическая скорость veff. Обе скорости по порядку величины сопоставимы с тепловой скоростью, хотя всегда выполняется неравенство v j. vcff vth. Эффективная баллистическая скорость меньше тепловой за счет того, что некоторая часть носителей рассеивается. Для связи описаний диффузного и баллистического канала введем следующее соотношение: vsJV 1;71 1+ По мере того как длина канала увеличивается, мы имеем V_V = A. (172) 2 2L L J поскольку в двумерной системе коэффициент диффузии Dn = vth/2. Тогда (1.68) в диффузном пределе L » в точности воспроизводит формулу для ВАХ диффузного МОПТ.
Необходимо подчеркнуть, что физическая граница между диффузным и баллистическим режимом является довольно размытой. Длина пробега носителя по импульсу , как правило, меньше, чем длина пробега по энергии и их взаимосвязь определяется соотношением [41] =(2 Г=МОИ (1-73)
Измеренная подвижность электронов в КНИ базе толщиной 2 нм составляет приблизительно 250 см2/Вхс, что эквивалентно длине свободного пробега 10 нм [48]. Средняя длина пробега до неупругого электронно-фононного рассеяния в кремнии при комнатной температуре составляет свыше 50 нм [49, 50, 51]. Поэтому ожидается, что при комнатных температурах настоящий баллистический режим, когда сопротивление канала не зависит от его длины, будет реализовываться только при длинах канала 5 нм [52]. Такая длина канала находится на грани возможностей современной и перспективной литографии.
Таким образом, актуальным является диапазон длин канала от 10 до 70 нм, который подразумевает возможность реализации неравенства L C. В этом «квази-баллистическом» режиме остается возможность описания транспорта носителей с помощью коэффициента диффузии и подвижности. Перенос электронов носит упругий диффузный характер с сохранением полной энергии носителя при пролете через канала. Кроме того, непрерывность тока и условие электронейтральности сохраняют свое значение, что позволяет обобщить предложенный выше подход на случай баллистического транспорта электронов в канале.
Следует отметить, что к безразмерным множителям в этих формулам следует относиться с определенной осторожностью, что связано с тем, что многие параметры не определены однозначным образом или не могут быть получены независимым образом. Эта ситуация является типичной для современных приборов, параметры которых извлекаются чаще всего с помощью подгонки к экспериментальным кривым в процедурах формальной оптимизации [53]. Для современных транзисторов даже «длина» канала может быть определена различным образом в зависимости от технологии изготовления контактов и профиля легирования истоков и стоков. По тем же причинам для наноразмерных транзисторов понятие «вблизи истока» теряет точный смысл и возникает вопрос, где определять плотность электронов в канале ns (О) и, соответственно, какова эффективная длина канала? Физически выделенной точкой является область вершины потенциального барьера, образованного краем зоны проводимости между истоком и стоком. Продольное электрическое поле в этой точке близко к нулю и поэтому следует ожидать, что плотность электронов в канале определяется электростатическим влиянием затворов, и в минимальной степени зависят от смещения на стоке. Точное положение этой точки зависит от профиля легирования истока, перекрытия электродов, электрического смещения на них и т.п. и может быть определено только в результате самосогласованного компьютерного моделирования. При практическом проектировании это неприменимо и поэтому следует использовать компактные аналитические модели с физические параметрами, которые в определенной степени можно рассматривать как подгоночные. По этой причине мы не обсуждаем в этой статье различного рода короткоканальные эффекты (например, критически важный для наноразмерных приборов эффект индуцированного стоком снижения барьера, т.н. DIBL), поскольку их учет производится, как правило, эмпирическим образом, и является не физической, а технической проблемой.
Физическая модель усиления деградации при низкой интенсивности
В конце 90-х годов производители перешли на использования изоляции типа STI (Shallow Trench Isolation). Эта технология позволяет добиться планаризации поверхности, структура «птичий клюв» отсутствует. По сравнению с LOCOS-изоляцией области STI имеют меньшее расширение в активную область транзистора, при этом создают лучшую защиту от эффекта защёлки (latchup)(cM. гл. 7). Впервые STI применили в середине 1990-х годов в производстве чипов для микропроцессоров Intel Pentium (166 МГц) и ГВМ бОЗе PowerPC (технологические нормы 0.35 и 0.45 мкм). На сегодняшний день STI является основной схемой изоляции элементов. Тем не менее, несмотря на преимущества STI для изготовления субмикронных ИМС, стойкость к дозовым эффектам у структур со стандартной STI-изоляцией не лучше, чем в структурах с LOCOS-изоляцией [69]
В STI отсутствует «птичий клюв» и потери эффективной ширины канала минимизированы. Современные технологии позволяют получить достаточно большое соотношение глубины изоляции к ширине. Таким образом, достигается большая степень интеграции. Для структур с STI характерна высокая степень планаризации поверхности. Указанные преимущества обусловили большое распространение STI-изоляции. STI-структуры предъявляют дополнительные требования к технологии производства, в частности, к процессу химико-механической полировки (СМР), к процессу заполнения канавок окислом. При формировании канавки в Si возникают дефекты. Для минимизации образования дефектов используют термически выращенный подслой Si02, который обычно сразу после создания стравливается и вновь выращивается. Процесс стравливания направлен на скругление краев Si вблизи перехода от тонкого подзатворного к толстому изолирующему окислу. Если края не скругляются, возникает опасность возникновения локального уменьшения толщины окисла в переходной области, вследствие чего происходит локальный рост величины электрического поля, что увеличивает вероятность пробоя. Таким образом, поверхность изолирующего окисла оказывается ниже уровня границы между подзатворным диэлектриком и кремнием. Образуется своеобразный провал, показанный на рис. 2.7. Рис. 2.7. Переходная область от тонкого подзатворного оксида к толстому изолирующему (STI)
В результате создаётся переходная область между подзатворным и изолирующими оксидами, в которой возникает значительное механическое напряжение, что приводит к уменьшению толщины оксида, и, следовательно, увеличению электрического поля. Кроме того, полученная паразитная транзисторная структура имеет меньшее пороговое напряжение, что приводит к росту тока утечки еще не облученного транзистора. Для борьбы с нежелательными эффектами производится заполнение канавки несколькими слоями диэлектрика. Качество этих слоев и переходных областей между ними оказывает влияние на распределение электрического поля внутри изолирующего окисла и, следовательно, на процесс накопления заряда при воздействии ИИ.
Таким образом, несмотря на бесспорные преимущества использования STI в коммерческих технологиях производства ИМС высокой степени интеграции, радиационная стойкость структур с STI может оказаться не лучше, чем структур с LOCOS. В 0.5 мкм КНИ КМОП технологии НИИСИ РАН используется изоляция типа STI, и стойкость структур к дозовым воздействиям требует детального изучения. 2.4. Многоуровневый поход к моделированию радиационно-индуцированных токов утечки
Функционирование микроэлектронных систем в условиях воздействия ионизирующих излучений (космос, военные применения, ускорители частиц высоких энергий, атомные станции и т.п.) предполагает разработку специальных методов их проектирования и прогнозирования их радиационного отклика [70]. Проектирование специализированных интегральных схем высокой степени интеграции является комплексной задачей, включающей моделирование на физическом, схемотехническом и системном уровнях описания, прогнозирование процессов деградации в материалах, отдельных транзисторах и схемотехнических блоках.
В общем случае вклад скрытого окисла в утечку можно представить как ток «паразитного» транзистора, подключенного параллельно основному транзистору, с толщиной подза-творного диэлектрика, равной толщине скрытого окисла. Т.к. подложка структуры КЫИ обычно заземлена, а тело основного транзистора соединено с истоком, то напряжение затвор-исток эквивалентного паразитного транзистора равно напряжению между истоком и подложкой. Длина канала паразитного транзистора больше длины канала основного транзистора на длину слаболегированных областей (LDD), а ширина канала этого транзистора равна ширине канала основного.
На краевую утечку оказывает влияние целый ряд факторов: геометрия боковой стенки STI и переходных областей от тонкого подзатворного окисла к изолирующему и от изолирующего окисла к скрытому, особенности технологии изготовления изоляции, электрические режимы при облучении. Большинство производителей проводят достаточно сложное моделирование (с помощью TCAD, MEDICI и других программных средств), возможности которого ограничены производительностью ЭВМ и неопределенностью начальных условий (главным образом, распределения электрического поля в окислах с учетом технологического процесса). Сложность освоения и высокая цена программного обеспечения также являются факторами, ограничивающими применение данных продуктов.
Несмотря на упомянутые выше факторы, оказывается возможным качественно и количественно оценить величину токов утечки в зависимости от дозы, определить положение областей, оказывающих наибольшее влияние на утечку, и выработать рекомендации по повышению стойкости структуры.
Зависимость критического заряда ячейки статической памяти от ее схемотехнических параметров
Разработка микроэлектронных систем для специализированных применений требует автоматизированных средств и методов расчета и предсказания интенсивностей отказов в заданном радиационном окружении и для заданных значений технологических параметров элементов интегральных структур. В частности, проблема отказов элементов микроэлектроники, вызванных отдельными ионизирующими частицами космических излучении, становится в последнее время доминирующей проблемой обеспечения надежности функционирования аппаратуры космических аппаратов. Причем с увеличением степени интеграции и уменьшением проектной нормы дозовые эффекты деградации в некоторой степени уменьшаются, а уязвимость элементов к одиночным радиационным эффектам (ОРЭ) только возрастает. Таким образом, прогнозирование интенсивности сбоев цифровых элементов, вызванных одиночными частицами космического спектра, является необходимым элементом обеспечения надежности аппаратуры космических аппаратов. Экспериментальное тестирование микросхем на единичные сбои является весьма дорогостоящим мероприятием, что обуславливает возрастающую роль расчетных методов. С другой стороны, расчетные методы сами по себе не обеспечивают полной достоверности прогнозирования без экспериментальной базы.
Прямой контроль стойкости электронной компонентной базы к одиночным радиационным эффектам в космическом пространстве предполагает использование ускорителей высоко-энергетических частиц. В настоящее время ведется работа по организации экспериментального центра на базе ускорителя ИТЭФ РАН для проведения испытаний изделий полупроводниковой электроники (ИПЭ) на воздействие одиночных протонов и ТЗЧ. Соискатель принимал непосредственное участие в разработке методического и программного обеспечения для этого центра [115,116, 117,118,119,120].
Проблема прогнозирования интенсивности единичных сбоев имеет несколько аспектов. Стойкость цифровых элементов к воздействию одиночных частиц определяется технологическими и схемотехническими параметрами элементной базы. Радиационная стойкость по отношению к ОРЭ определяется помехоустойчивостью ячеек памяти и является по своей природе схемотехнической величиной. Это означает, что при наличии полной информации от изготовителя и/или проектировщика о схемотехнических характеристиках ячейки памяти параметры радиационной стойкости, например, критический заряд ячейки памяти, могут быть рассчитаны с помощью стандартных средств САПР. Значительная часть физико-технологических, электрических и топологических параметров явно закладывается при проектировании, но проблема состоит в том, что радиационная стойкость часто является функцией скрытых параметров, не контролируемых явным образом проектировщиком и изготовителем. Поэтому параметры чувствительности к радиационным эффектам (например, ОРЭ) не могут быть рассчитаны независимо от эксперимента даже при наличии полной технологической информации от изготовителя и проектировщика. На практике полная информация о схемотехнических параметрах либо отсутствует, либо носит весьма приблизительный характер. Поэтому для обеспечения достоверности прогнозирования необходимо привязывать расчетные результаты к опорным экспериментам.
Тем не менее, расчетные методы, во-первых, могут существенно сократить набор необходимых дорогостоящих экспериментов и тем самым удешевить и ускорить процедуры испытаний; во-вторых, оценку скорости сбоев в условиях космического пространства можно получить только расчетными методами, и, наконец, расчетные методы характеризации параметров радиационной чувствительности незаменимы при проектировании радиационно-стойких ИМС.
На рис. 4.1 представлена блок-схема комплексной программы работ по прогнозированию интенсивности ОРЭ в космическом пространстве, включающая в себя расчеты спектров космического излучения на заданных орбитах при заданной защите; экспериментальное определение параметров чувствительности к ОРЭ в ходе наземных испытаний; схемотехнические расчеты с привлечением данных от изготовителя и проектировщика, расчет интенсивности сбоев в заданных условиях функционирования.
Частично эта программа реализуется в рамках широкой кооперации, организуемой под эгидой НИИКП и Роскосмоса, с участием ИТЭФ РАН и НИИП (экспериментальная установка и методика испытаний), НИИЯФ МГУ (расчет спектров космических излучений) и МИФИ (методики обработки результатов и программа расчета скорости сбоев, разработанные под руководством автора). Методы и программа расчета скорости одиночных сбоев будут подробно описаны в гл. 5. В этой главе речь пойдет о схемотехнических методах расчетов параметров чувствительности ячеек памяти к ОРЭ, дополняющих традиционные экспериментальные методы, использование которых часто затруднено по техническим и экономическим причинам.
Помехоустойчивость цифровых элементов к импульсному воздействию характеризуется значением критического заряда Qc, которое является чисто схемотехнической характеристикой и может быть рассчитано с помощью стандартных систем схемотехнического проекти рования. Стандартные пакеты моделирования ведущих производителей (Cadence, Mentor Graphics), как правило, не содержат встроенных инструментов для моделирования радиационной деградации и одиночных сбоев. Некоторые другие пакеты, позволяющие моделировать взаимодействие отдельных частиц с веществом, несовместимы с пакетами схемного моделирования, либо (как в случае с Synopsis TCAD) крайне ресурсоемки.
При воздействии отдельных ионизирующих частиц характерным является радиационный отклик на уровне схемном уровне, подразумевающий использование схемотехнических методов описания. Поэтому, для моделирования таких процессов необходим простой и надежный инструмент, интегрируемый в стандартные пакеты схемотехнического моделирования, либо вариант реализации взаимодействия ИМС и ТЗЧ встроенными средствами пакета моделирования. Нами была разработана программа расчета критического заряда стандартной 6-транзисторной КМОП ячейки памяти 1С4 (Integrated Circuits Critical Charge Calculator). Программа изначально интегрирована с САПР интегральных схем [121, 122]. Она представляет собой независимую оболочку в форме Windows-приложения, реализованную в среде Visual C++, которая формирует входные и анализирует выходные SPICE - файлы. Входной информацией для симулятора 1С является набор SPICE параметров для всех компонентов ячейки памяти. В свою очередь, выходная информация симулятора 1С4 является входной для программы расчета скорости сбоев в космосе PRIVET (см. гл. 5). Разработанный комплекс программ может использоваться как для прогнозирования радиационной стойкости интегральных схем в космических условиях, так и для оптимизации стойкости при проектировании.
