Размещено на http://www.allbest.ru/

280

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

МОДЕЛИРОВАНИЕ ДОЗОВЫХ И ОДИНОЧНЫХ РАДИАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ В КРЕМНИЕВЫХ МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОННЫХ СТРУКТУРАХ ДЛЯ ЦЕЛЕЙ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ

05.27.01 _ Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника на квантовых эффектах

Зебрев Геннадий Иванович

Москва - 2009 г.

1. Общая характеристика работы

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:

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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).

5. Разработаны методы схемотехнического расчета параметров чувствительности статических ячеек памяти КМОП технологии при воздействии отдельных ТЗЧ и импульсного облучения.

6. Разработаны общие физико-математические подходы к расчету скорости сбоев от отдельных ионизирующих частиц для заданных спектров излучений космического пространства.

7. 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:

1. 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®.

2. 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.

3. 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.

4. 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:

1. 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.

2. Модель накопления и релаксации (отжига) радиационно-индуцированного заряда в толстых окислах боковой изоляции типа STI и дозовых зависимостей краевых и донных токов утечки.

3. Метод определения параметров SPICE параметров паразитных эквивалентных транзисторов для расчета радиационно-индуцированных токов утечки на схемном уровне с помощью схемотехнических САПР.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

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.

2. Содержание диссертации

Обеспечение радиационной стойкости микро(нано)электронных компонентов и систем, применяемых в космосе, бортовой авионике летательных аппаратов, системах вооружений, ядерной энергетике, физике высоких энергий, является многодисциплинарной областью, объединяющей в себе проблемы материаловедения, схемотехники, технологии, проектирования интегральных микросхем, испытаний и методов прогнозирования. Ключевым элементом, объединяющим исследования в различных областях применения, является моделирование.

Проблема моделирования процессов деградации в элементах микроэлектроники, с необходимостью носит комплексный, многоуровневый характер. Это обусловлено тем, что процессы деградации затрагивают как процессы в материалах и в приборных структурах, требующих описания на физическом уровне, так и на уровне схемных элементов, описываемых методами схемотехнического моделирования. Поэтому, моделирование процессов деградации параметров микроэлектронных компонентов (в частности, транзисторов) трудно отделить от моделирования работы схемы в целом. Понимание механизмов и развитие совместных моделей процессов деградации и работы микроэлектронных компонентов является необходимым условием, как проектирования перспективной радиационно-стойкой элементной базы, так и создания методик прогнозирования радиационной стойкости существующих микроэлектронных систем в условиях воздействия внешних дестабилизирующих (в общем случае, неравновесных) факторов. Развитие технологии, а именно, _ переход к субмикронным (с размерами < 0.5 мкм) и наноразмерным (< 0.1 мкм = 100нм) проектным нормам, _ приводит к тому, что значимость разных механизмов деградации существенно меняется.

Например, в современных МОП транзисторах (даже не изготовленных по радиационно-стойкой технологии) с толщиной подзатворного окисла несколько нанометров, практически не происходит заметного накопления заряда и поверхностных состояний даже при облучении с дозами ~1 Мрд. Надпороговая вольтамперная характеристика (ВАХ) таких транзисторов практически не изменяется при таких дозах, а основной эффект дозовой деградации выражается в резком увеличении (на несколько порядков) подпороговых токов утечки. Радиационно-индуцированные токи утечки почти полностью вызываются зарядом, захваченным в толстых слоях окислов боковой и донной изоляции современных МОП транзисторов объемной и КМОП технологии. Аналогично, дозовая деградация компонентов биполярной технологии, также обусловлена процессами генерации, переноса и накопления радиационного заряда в толстых (0.5…1 мкм) полевых окислах, перекрывающих переход эмиттер-база.

Вторым типом эффектов, роль которых резко возрастает для миниатюрных приборов в ИМС высокой степени интеграции, являются одиночные радиационные эффекты (ОРЭ), вызванные воздействием отдельных ТЗЧ, протонов или нейтронов космического или иного происхождения. Это обусловлено тем, что с уменьшением напряжения питания и емкостей узлов, помехоустойчивость цифровых и аналогово-цифровых элементов к воздействию внешних импульсных помех, в том числе и от отдельных частиц, вообще говоря, снижается.

Ситуация осложняется тем, что многие физические механизмы процессов деградации остаются до сих пор до конца невыясненными, а интерпретации экспериментальных данных _ противоречивыми. В кандидатской диссертации [1] автором были поставлены и решены несколько задач:

· Моделирование радиационно-индуцированного накопления, туннельного и радиационно-стимулированного отжига заряда в подзатворном окисле.

· Разработанная кинетическая модель накопления и туннельной релаксации радиационно-индуцированных положительно заряженных дефектов в окисле дает возможность рассчитывать процессы накопления и отжига заряда в окисле и на границе раздела Si-SiO₂ при любом временном профиле мощности дозы.

· Параметры, полученные из экспериментов в лабораторных условиях, проведенных с мощностью дозы, обеспечивающей приемлемую продолжительность испытаний (например, ~200 рад(SiO₂)/с), могут быть использованы для прогнозирования радиационного отклика МОП приборов в космическом окружении с малыми мощностями дозы ионизирующего излучения (<10^-3 рад (SiO₂)/с).

· Выяснение доминирующего характера механизма влияния перезарядки поверхностных состояний на крутизну МОП транзисторов.

· Моделирование влияния неравновесных горячих носителей на деградацию характеристик и срок службы МОП транзисторов.

· Моделирование ВАХ короткоканальных МОП транзисторов с последовательным учетом влияния зависимости подвижности от величины тянущего электрического поля при аналитическом решении уравнения непрерывности тока в канале.

· Изучены теоретически взаимосвязанные проблемы экранирования и микроскопической подвижности носителей в канале за счет рассеяния на заряженных дефектах и шероховатостях границы раздела Si-SiO₂.

Полученные результаты отражены в работах [2-29].

Вместе с тем, в этой области остается ряд нерешенных крупных комплексных проблем, главными из которых являются:

· Проблема физического и схемотехнического моделирования радиационно-индуцированных токов утечки и, связанных с ними механизмов накопления и отжига захваченного заряда в толстых слоях краевой изоляции.

· Проблема выяснения качественного механизма и количественного моделирования аномального эффекта низкой интенсивности (ELDRS) в ИМС биполярной технологии.

· Проблема схемотехнического расчета параметров чувствительности цифровых ИМС к воздействию отдельных частиц и связанная с ней проблема расчета интенсивности одиночных сбоев в реальных условиях космического пространства, основываясь на результатах наземных испытаний.

· Проблема компактного моделирования работы современных транзисторов КНИ технологий и перспективных транзисторов с двойным затвором.

Исходя из этого, в рамках диссертационной работы решались следующие задачи:

1. Моделирование работы КНИ МОП транзисторов

В главе 1 описана новая компактная модель МОП транзисторов КНИ технологий с частичным и полным обеднением, основанная на аналитическом решении уравнения непрерывности для плотности тока в канале транзистора [30, 31]. Эта модель является развитием диффузионно-дрейфовой модели МОП транзисторов объемной технологии, подробно описанной в работах [3, 4] и кандидатской диссертации автора [1]. При проектировании СБИС используется идеология компактного моделирования, основанная на простых математических моделях, содержание которых описывается набором расчетных формул. При этом важной стороной 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 ВАХ, переходной от надпорогового к подпороговом режиму, а также от линейного участка к участку насыщения производится с помощью интерполяционных процедур. Это происходит потому, что модели BSIM основаны на приближениях, в которых отсутствует явное решение уравнения непрерывности для плотности тока в канале. Между тем, хорошо известно, что последовательный подход для получения ВАХ транзисторов требует решения уравнения непрерывности для тока в канале. Действительно, уравнение непрерывности для тока является неотъемлемой частью фундаментальной системы уравнений, включающей в себя также уравнение Пуассона, граничные условия и уравнения переноса носителей тока. Ключевая часть предложенного подхода состоит в том, что в явном виде получено аналитическое решение для уравнения непрерывности плотности тока в канале, что позволило получить в компактном виде замкнутые выражения для тока, а также распределения электрических полей, потенциалов и плотности носителей в канале при любом напряжении на затворе [30-32].

В результате было получено общее выражение для вольтамперной характеристики (ВАХ) МОП транзистора, справедливое для всех режимов его работы:

,(1)

где n_S - плотность электронов в канале вблизи истока; D₀ - коэффициент диффузии электронов; q - заряд электрона; V_DS - напряжение между стоком и истоком; W/L - отношение ширины канала к его длине; - энергия диффузии, равная энергии Ферми для вырожденных и тепловой энергии для невырожденных каналов. Показано, что формула (1) справедлива как для транзисторов объемных, так и КНИ технологий с частичным и полным обеднением. Разные технологии имеют разную электростатику, что выражается в разном виде формул для управляющего параметра , равного отношению величины диффузионной компоненты тока к дрейфовой. 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), использующим в качестве независимой переменной напряжение на затворе. Все параметры формулы для тока (1) представляются явными функциями поверхностного потенциала _S, а вся сложная электростатическая конфигурация транзистора независимо описывается выражением для связи затворного напряжения и поверхностного потенциала V_G(_S), 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 технологий 0.5 мкм, спроектированных в НИИСИ. Такой же подход дал возможность разработать модель транзистора с перспективной конфигурацией с двойным затвором (double gate transistor) [32]. Такая конфигурация является развитием полностью обедненной КНИ технологии с очень тонким кремниевым телом и симметричным нижним затвором за 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. Наконец, в диссертационной работе описано обобщение модели на случай баллистического переноса, реализующегося при условии, когда длина пробега носителей в канале l становится сопоставимой с длиной канала L. Полученные выражения для тока описывают плавный переход от случая диффузного переноса (l << L) к случаю баллистического транспорта (l > L).

Таким образом, предложенная модель позволяет единым образом описывать переходную область работы транзистора, где дрейфовый и диффузионные токи имеют одинаковый порядок величины. Модель воспроизводит результаты стандартных моделей для отдельных режимов работы и имеет совместимый с ними набор параметров. Подробное описание моделей дано в монографии соискателя [33]. Квантовомеханические аспекты описания переноса в каналах наноэлектронных структур представлены в работе [34]. Описанный подход может быть применен для разработки физической модели полевых транзисторов на основе графена, являющихся наиболее перспективным материалом для создания наноэлектронных технологий новых поколений [35, 36].

2. Моделирование токов утечки в приборах КНИ КМОП технологий

В главе 2 рассматриваются радиационно-индуцированные краевые токи утечки, обусловленные накоплением заряда в боковой изоляции транзисторов, которые являются главной причиной дозовой деградации в современных схемах высокой степени интеграции. Для их моделирования был разработан многоуровневый подход на физическом и схемотехническом уровнях описания [37, 38, 39]. Ток через паразитный канал представлялся в виде суммы токов через большое количество элементарных паразитных транзисторов малой ширины, каждый из которых имеет свою толщину окисла, пороговое напряжение, накопленный заряд в окисле и т.п.

,(2)

Рис.1. ВАХ паразитного краевого транзистора как сумма токов элементарных транзисторов с разными характеристиками



Рис.2. Схематическое представление области между тонким подзатворным окислом и краевой толстой изоляцией STI типа

где рассчитывалось по компактной модели МОП транзистора [30, 31],

V_GS, V_DS и V_T(x_k) - напряжения на затворе, стоке и локальное значение порогового напряжения соответственно, x - ширина элементарного паразитного транзистора, N - число паразитных транзисторов (см. рис.1 и 2).

Пороговое напряжение рассчитывается для основного и каждого из паразитных транзисторов как функция эффективной длины силовой линии электрического поля, которая принята равной длине собирания радиационно-индуцированных дырок , форма которых определялась решением уравнения Лапласа в клине (см. рис. 2).

Принципиально новым моментом в моделировании был учет эффектов радиационно-стимулированного отжига (RICN), моделирование которого детально описано в кандидатской диссертации автора [1]. Для локальной плотности захваченного заряда Q_ot(x, D) было получено выражение

(3)

D - доза, K_g 8Ч10¹² см^-3 рд^-1(SiO₂), F_t - эффективность захвата дырок, _n - возрастающее с уменьшением поля сечение захвата электронов на положительно заряженные ловушки в окисле, x_ecoll - эффективная длина сбора электронов. Выход радиационного заряда _eff(E_ox), лимитированный в сильных электрических полях в окисле E_ox (0.5…5 МВ/см) процессами родственной (geminate) рекомбинации, моделировался стандартным эмпирическим выражением

,(4)

с подгоночными константами ₀ = 0.065 и E₀ = 0.15 MВ/см. Для моделирования выхода заряда в относительно слабых полях (0.05…0.5 МВ/см) использовалась разработанная автором модель задержанной рекомбинации, характерной для толстых окислов (см. гл. 3). Плотность захваченного заряда в тонком окисле оказывается малой из-за ограниченной толщины сбора носителей, а в толстом, - за счет сильной компенсации радиационно-индуцированными электронами в слабых электрических полях. Таким образом, распределение захваченного заряда имеет выраженный пик на участке сопряжения тонкого подзатворного окисла и толстого окисла краевой изоляции. Это обстоятельство, с одной стороны, позволяет четко определить SPICE параметры эквивалентного паразитного транзистора для последующего схемотехнического моделирования; с другой, - дает возможность избежать искусственного ограничения ширины области накопления захваченного заряда, характерного для существующих в мировой литературе подходов [37, 39].

На рис.3. представлено сравнение результатов численного моделирования тока утечки при V_G = 0 В с данными экспериментов по облучению КНИ транзисторов с краевой изоляцией STI типа. Насыщение обусловлено переходом паразитного транзистора в надпороговой режим. По результатам экспериментов по облучению тестовых транзисторных структур была проведена экстракция радиационных параметров модели. Сравнение детального вида ВАХ тех же тестовых транзисторов для разных доз в диапазоне 0…1.6 Мрд )(SiO₂) представлено на рис. 4-5.



Рис. 3 Экспериментальная (точки) и рассчитанные (линия) дозовая зависимость токов утечки (Ft=0.1 для подзатворного окисла, Ft=0.52 для STI, xecoll=10 nm)

Рис.4. Экспериментальные вольтамперные характеристики тестовых транзисторов для разных доз облучения

Рис.5. Расчетные вольтамперные характеристики тех же тестовых транзисторов

На рис.6 показана процедура извлечения SPICE параметров эквивален тного паразитного транзистора на физическом уровне моделирования для последующей передачи их в стандартный пакет типа Cadence Spectre.

На первом этапе получены распределения порогового напряжения и накопленного заряда. Эти данные используются на втором этапе для расчёта распределения плотности токов утечки [А/см] (рис. 6).

Рис. 6. Иллюстрация процедуры получения (а) эффективной ширины, (b) порогового напряжения и (c) толщины окисла эквивалентного паразитного транзистора

Наличие выраженного максимума плотности токов утечки позволяет выделить параметры «оптимального» паразитного транзистора. Наибольший вклад в общий ток утечки дают паразитные транзисторы с токами, отличающиеся не более чем на 30% от максимального значения. Таким образом, эффективную ширину эквивалентного паразитного транзистора можно принять равной сумме ширин наиболее «эффективных» элементарных транзисторов.

Такой подход позволяет использовать физическое моделирование только для определения параметров эквивалентных паразитных транзисторов. На рис. 7 представлено сравнение результатов эксперимента с расчетом по физической модели и SPICE симуляторе SPECTRE.

Подобные подходы редко используются в мировой литературе, поскольку физическое моделирование производится в технологическом пакете TCAD, что очень затратно по времени, и, главное, не обеспечивает физически адекватного описания процессов накопления и отжига радиационного зарядов в окисле.

Рис. 7. Сравнение экспериментальных результатов (точки) и результатов физического (линия 1) и схемотехнического (линия 2) моделирования в SPICE симуляторе

В диссертационной работе рассмотрен также важный вопрос моделирования переходных токов утечки при импульсном воздействии ионизирующих излучений, которые могут приводить к временной потери работоспособности приборов. Релаксация токов имеет характерную степенную кинетику со временами восстановления до сотен секунд (см. рис. 8).



Рис.8. Экспериментальные ВАХ после импульсного облучения (Sandia, 2005)

Как показано автором, степенная временная зависимость поведения токов утечки после импульса определяются логарифмической временной зависимостью т.н. туннельного отжига, моделирование которого в аспекте задач прогнозирования при низкоинтенсивном космическом облучении подробно рассматривалась в кандидатской диссертации [1]. Хорошая качественная корреляция расчетных и литературных экспериментальных данных показана на рис. 8 и 9.

Рис.9. Расчетные ВАХ для разных времен после импульса

3. Моделирование эффектов усиления деградации при низкоинтенсивном облучении

На протяжении почти 20 лет известно, что в приборах биполярной технологии (например, операционных усилителях) деградация при заданной дозе для низкоинтенсивного облучения (характерного для космического пространства) в несколько (до 10) раз больше, чем для случая относительно высоких интенсивностей (~1…300 рд/с), используемых при испытаниях. Этот эффект усиления деградации при низкоинтенсивном облучении (общепринятый международный термин Enhanced Low Dose Rate Sensitivity, ELDRS) создает значительные проблемы при прогнозировании [40]. Относительно недавно эффекты ELDRS были обнаружены в приборах МОП технологии c толстыми окислами. В работах автора [39, 41-45] была развита качественная и количественная модель, согласно которой эффекты ELDRS обусловлены рекомбинацией подвижных электронов и дырок, локализованных на мелких ловушках и/или хвостах плотности состояний аморфных материалов изоляторов. Согласно этой модели, все известные эффекты низкой интенсивности определяются не конкретными механизмами деградации приборов (которые могут быть разными для приборов разных технологий), а эффективностью выхода (разделения) радиационно-индуцированного заряда в толстых слоях изоляции. Таким образом, эффекты ELDRS можно рассматривать как дозиметрический эффект явной зависимости выхода заряда от мощности дозы вне зависимости от технологии (биполярная или КМОП) и конкретных механизмов деградации, специфичных для каждого типа приборов. Наличие или отсутствие таких эффектов определяется температурой облучения, толщиной слоя изоляции и величиной электрического поля в окисле E_ox. Точка зрения, что эффекты ELDRS обусловлены усилением рекомбинацией электронно-дырочных пар при повышении мощности дозы стала общепринятой только в самое последнее время (2008), но до сих пор разработанный автором подход является единственной количественной аналитической моделью.

Явная зависимость выхода заряда от интенсивности получается как аналитическое решение системы кинетических уравнений в квази-стационарном приближении и представляется в явном виде [42]

,(5а)

,(5б)

где P - мощность дозы, µ_h ( 10^-6 см² /В с) подвижность дырок в SiO₂, _p ( 0.39 эВ) - эффективная энергетическая глубина ловушки.

На рис. 10 показана рассчитанная зависимость значения нормированного эффективного выхода заряда _eff/_G как функция двух переменных: мощности дозы P и температуры облучения T (а), а также мощности дозы P и величины электрического поля в окисле E_ox при облучении (б).

Рис. 10(а). Рассчитанный с помощью (5) нормированный выход заряда _eff/_G как двумерная функция мощности дозы и температуры облучения (E_ox = 10⁵ В/см)

Рис. 10 (б). Рассчитанный выход заряда _eff/_G как функция мощности дозы и электрического поля в окисле (T = 300 K, minE_ox=10⁴ В/см)

Результаты расчета, показанные на рис. 10(а) являются иллюстрацией того факта, что облучение при повышенной температуре является хорошим способом проведения ускоренных испытаний, имитирующих низкоинтенсивное облучение. Ситуация осложняется тем, что при увеличении температуры облучения имеет место конкуренция двух разнонаправленных процессов: (1) увеличения выхода зарядов и (2) термического отжига части рекомбинационных центров. Поэтому, в биполярных приборах высокоинтенсивное облучение (~ 100…300 рд/c) при повышенных температурах не всегда приводит к уровню деградации, эквивалентному воздействию излучений низкой интенсивности (<< 1 рд/c).

В диссертации описана модель рекомбинационных токов биполярных транзисторов при накоплении и отжиге рекомбинационных центров с двумя типами дефектов (6)

(6)

Временные константы отжига _a1(2) = _a0 exp(_a1(2)/k_B T) были получены из сравнения с экспериментами _a0 10^-7 с, _a1 0.8эВ, _a2 1.2 эВ.

Рис.11. Сравнение расчетных и экспериментальных зависимостей тока базы от температуры облучения для разных доз. Интенсивность облучения 294 рд(SiO₂)/с



Рис.12. Рассчитанные кривые эквивалентной деградации для переменных «мощность дозы - температура облучения»

Оптимальное соотношение температур и интенсивности облучения зависит от конкретного изделия (и даже от контролируемого параметра), требуемой дозы облучения, выбранного коэффициента запаса, и может быть установлено только путем предварительных испытаний. Предложенный подход позволяет предсказать поведение транзистора при радиационном воздействии (рис. 11) и выбирать эквивалентные условия с разными параметрами «температура-доза» для ускоренных испытаний (рис. 12), что может служить основой для экспериментальной методики прогнозирования, что проиллюстрировано на рис. 12.

В диссертации разработана математическая модель совместного описания эффекта временного логарифмического отжига и эффекта усиления выхода заряда при низкой интенсивности [39]. Экспериментально наблюдаются два вида зависимостей от мощности дозы. Во-первых, это временной эффект одновременного отжига (релаксации) накопленного радиационного заряда в окисле. Уменьшение интенсивности облучения для фиксированной дозы приводит к увеличению эффективного времени сопутствующего отжига и, соответственно, к уменьшению радиационного заряда в окисле. Этот эффект доминирует в тонких подзатворных окислах МОП транзисторов с высокими значениями характерных электрических полей. Во-вторых, имеет место истинный эффект мощности дозы, связанный с увеличением выхода радиационного заряда с уменьшением интенсивности, что характерно для приборов биполярных технологий с толстыми слоями изоляции и относительно низкими электрическими полями в них. Проведенные расчеты показали, что туннельный отжиг в значительной мере компенсирует аномальную зависимость от мощности дозы в боковой изоляции МОП транзисторов. Это объясняет тот факт, что аномальные эффекты интенсивности не проявляются, либо не очень выражены для радиационно-индуцированных токов утечки МОП транзисторов.

4. Моделирование одиночных радиационных эффектов

Проблема отказов элементов микроэлектроники, вызванных отдельными частицами спектра космических излучений, стала в последнее время доминирующей проблемой обеспечения надежности функционирования аппаратуры космических аппаратов.

Прогнозирование интенсивности отказов цифровых элементов, вызванных одиночными частицами космического спектра, является необходимым элементом обеспечения надежности аппаратуры космических аппаратов. С одной стороны, экспериментальное тестирование микросхем на одиночные радиационные эффекты является весьма дорогостоящим мероприятием, что обуславливает возрастающую роль расчетных методов. С другой стороны, расчетные методы сами по себе не обеспечивают полной достоверности прогнозирования. Прямой контроль стойкости электронной компонентной базы к одиночным радиационным эффектам в космическом пространстве предполагает использование ускорителей высокоэнергетических 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 [46-51].

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 оценки параметров радиационной чувствительности незаменимы при проектировании радиационно-стойких ИМС.

На рис. 13 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 космического пространства.

Рис. 13. Блок схема расчета интенсивности сбоев в космическом пространстве

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 соискателя).

5. Схемотехническое моделирование параметров чувствительности ячеек памяти КМОП технологий

В главе 4 рассмотрены схемотехнические методы расчетов параметров чувствительности ячеек памяти к ОРЭ, дополняющие традиционные экспериментальные методы, использование которых часто затруднено по экономическим причинам. В частности, подробно описан метод эквивалентного генератора тока, имитирующего ионизационный импульс тока при прохождении отдельной ионизирующей частицы [52, 53]. Критический заряд, характеризующий помехоустойчивость, например, КМОП ячейки статической памяти, является интегральной характеристикой ячейки и зависит от совокупности всех топологических и электрических параметров данной ячейки, таких как крутизна, пороговые напряжения и емкости транзисторов и может быть рассчитан с помощью стандартных систем схемотехнического проектирования (например, CADENCE SPECTRE или ORCAD).

Импульс ионизационного тока от тяжелой заряженной частицы моделируется генератором тока:

(7)

где Q₀ _ индуцированный одиночной частицей заряд, _F _ время спада тока, связанное со временем собирания заряда (~ 0.2…0.4 нс), _R _ время нарастания тока, связанное со временем дрейфа носителей через ОПЗ p-n перехода (~ 10..50 пс). Времена считаются фиксированными, а рассчитанное значение собранного заряда Q₀, при котором происходит переключение, считается критическим зарядом Q_С. Входной информацией для расчетов является набор SPICE параметров BSIM3 для всех компонентов ячейки памяти. В свою очередь, расчетные значения критического заряда являются входной информации для программы расчета скорости сбоев в условиях космического пространства (PRIVET).

Параметры транзисторов ячейки задаются с использованием системы модели BSIM3v3, позволяющей работать с субмикронными длинами каналов. Было проведено исследование влияния основных параметров ячейки памяти на величину ее критического заряда. В частности, были исследованы: влияние топологических характеристик (рост отношения ширины к длине канала W/L приводит к увеличению критического заряда и, соответственно, меньшей вероятности сбоя); порогового напряжения (увеличение порогового напряжения приводит к снижению Q_C); крутизны (чем больше крутизна, тем больше Q_C); емкости узлов (Q_C и время переключения зависят от соотношения емкостей обратных связей); сопротивления в цепи обратной связи (увеличивает Q_C) и напряжения питания (см. рис. 14). Было показано, что влияние схемотехнических и технологических параметров на чувствительность ячейки памяти к отдельным частицам часто носит противоречивый характер.

Рис.14. Расчетные значения критического заряд ячейки памяти как функция напряжения питания для попадания в n-МОПТ и p-МОПТ

Рис.15. Расчетные зависимости критического заряда от ширины транзисторов (в мкм) в ячейке памяти (суммарная ширина двух транзисторов составляет 3.9 мкм)

Например, увеличение крутизны p-канального МОПТ за счет увеличения его ширины при фиксированной ширине 2-х транзисторов, с одной стороны, увеличивает критический заряд при попадании частицы в сток n-МОПТ, но снижает Q_С при попадании в сток p-МОПТ (см. рис. 15). Таким образом, детальное схемотехническое моделирование позволяет проводить оптимизацию радиационной стойкости ячейки памяти вообще, и чувствительности к воздействию отдельных ионизирующих частиц в частности.

Инжекция заряда основных носителей в изолированную базу КНИ транзистора при прохождении отдельной ионизирующей частицы может приводить к возникновению паразитного биполярного эффекта, что может существенно снизить помехоустойчивость ячейки.

Табл. 2. Экспериментальные параметры чувствительности для КМОП объемной и КНИ 0.5 мкм технологии

	объемная технология	КНИ с плавающим телом	КНИ с заземленным телом
сечение насыщения, 10-7 cм2/бит	14	1	1
критическое ЛПЭ, МэВ см2 /мг	6	2	8

Развитая физическая модель паразитного биполярного эффекта в КНИ транзисторах [54, 55] вместе со схемотехническим моделированием показали, что КНИ КМОП ячейки памяти с изолированным (плавающим) телом имеют в общем случае существенно меньшее значение критической энергии (ЛПЭ) по сравнению с ячейками с заземленным телом (см. табл. 2), что нашло полное экспериментальное подтверждение (см. ссылки в [1]).

6. Методы расчета интенсивности одиночных сбоев от тяжелых заряженных частиц и протонов космического пространства

Разработка микроэлектронных систем для космических и специализированных применений требует автоматизированных средств и методов расчета и предсказания скорости сбоев и вероятности отказов в заданном радиационном окружении и для заданных значений технологических параметров элементов интегральных структур, описанию которых посвящена глава 5.

Методы прогнозирования скорости сбоев (отказов) цифровых компонентов интегральных схем от одиночных высокоэнергетических частиц космического пространства основываются на сечениях, определяемых экспериментально в ходе наземных испытаний. Понятие сечения сбоя в литературе определено неоднозначным образом. Дифференциальное сечение сбоя от одиночных частиц строго определяется как

,(7)

где _ элемент телесного угла, _ количество сбоев, возникших из-за частиц с ЛПЭ в диапазоне , прилетевших из элемента телесного угла с направлением (соответственно полярный и азимутальный угол относительно нормали к поверхности схемы), [см^-2 стерад^-1 (МэВ-см²/мг)^-1] - дифференциальный поток частиц на единицу телесного угла и на единицу ЛПЭ. С учетом (7), формула для полного количества сбоев приобретает вид