close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Кафедра Микро- и наноэлектроники МОП транзистор

код для вставкиСкачать
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
В.С.Першенков
Дозовые радиационные эффекты в
КМОП и биполярных структурах при
воздействии факторов космического
пространства
26июня-2 июля 2010, Пицунда
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
План выступления
• Дозовые эффекты в современных КМОП и
биполярных структурах
• Водородная модель накопления
поверхностных состояний
• Конверсионная модель накопления
поверхностных состояний
• Эффект низкой интенсивности в
биполярных приборах
• Моделирование эффекта низкой
интенсивности
26июня-2 июля 2010, Пицунда
1
МОП транзистор
Поликремниевый
затвор
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
n+ сток
Поток электронов
Полевой
окисел
Краевая утечка
n+ исток
26июня-2 июля 2010, Пицунда
2
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Поперечное сечение биполярного транзистора
26июня-2 июля 2010, Пицунда
3
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Разделение зарядов e и h электрическим
полем
26июня-2 июля 2010, Пицунда
4
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Физические процессы в структуре МДП при
воздействии ионизирующего излучения
26июня-2 июля 2010, Пицунда
5
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Прыжковый и механизм многократного
захвата
26июня-2 июля 2010, Пицунда
6
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Сдвиг C-V характеристики при
отрицательном поле в окисле
26июня-2 июля 2010, Пицунда
7
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Движение дырок при отрицательном поле
в окисле
26июня-2 июля 2010, Пицунда
8
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Зависимость порогового напряжения от
дозы
26июня-2 июля 2010, Пицунда
9
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Эффект внутреннего поля в окисле
26июня-2 июля 2010, Пицунда
10
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Радиационно-индуцированный отжиг
26июня-2 июля 2010, Пицунда
11
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Природа положительного заряда в окисле
(E′γ центра)
26июня-2 июля 2010, Пицунда
12
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Заряд на границе Si/SiO2
Q S Q ot Q it
26июня-2 июля 2010, Пицунда
13
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Водородная модель
Эксперимент на ускорителе электронов
(McLean, 1980)
Е01 – облучение (1-я стадия)
Е02 – формирование Nit (2-я стадия)
E01
+
+
-
-
E02
+
-
+
-
ΔNit
есть
нет
есть
нет
26июня-2 июля 2010, Пицунда
14
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Водородная модель
eh H
N it
26июня-2 июля 2010, Пицунда
15
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Водородная модель
Эксперимент с задержкой включения
положительного поля Е02
26июня-2 июля 2010, Пицунда
16
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Водородная модель
Эксперименты с изменением
полярности поля на первой стадии Е01
(Saks & Brown, 1989)
26июня-2 июля 2010, Пицунда
17
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Водородная модель
Физика процесса
Обработка окисла дейтерием (тяжелым
изотопом водорода) замедлила процесс
формирования Nit
26июня-2 июля 2010, Пицунда
18
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Поле E02 = 2 МВ/см
26июня-2 июля 2010, Пицунда
19
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Конверсионная (инжекционная) модель
26июня-2 июля 2010, Пицунда
20
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Конверсионная (инжекционная) модель
Изменение порогового напряжения при
различных интенсивностях облучения
(D=const)
10
3 рад SiO 2 c
D const
10
10
26июня-2 июля 2010, Пицунда
1 рад SiO 2
c
2 рад SiO 2
c
21
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Конверсионная модель
U пор U ot U it
U it K oi N 0 t макс N 0 t Метод 1019: высокоинтенсивное облучение
+ высокотемпературный (100оС) отжиг
(168 часов)
26июня-2 июля 2010, Пицунда
22
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Разрыв напряженных поверхностных
связей
26июня-2 июля 2010, Пицунда
23
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Водородно-электронная (инжекционная)
модель
Эксперименты Согояна-Черепко, начало 1997г.,
не принято к печати
Введение водорода без инжекции электронов из
подложки не приводило к росту Nit
26июня-2 июля 2010, Пицунда
24
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Детали эксперимента
Эксперименты проводились на n-канальных МОП
транзисторах с толщиной окисла 30 нм. Приборы
облучались на рентгеновском источнике с энергией 8 кэВ
с мощностью дозы 1 крад(SiO2) /c до полной дозы 3
Мрад(SiO2). Во время облучения напряжение на затворе
составляло +5В.
Через 1 час после прекращения облучения приборы
отжигались в атмосфере молекулярного водорода в
течение 24 часов.
26июня-2 июля 2010, Пицунда
25
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Режимы работы МОП транзистора
Тест 1 соответствовал режиму инверсии МОП транзистора: напряжение на
затворе +2В (поле в окисле +0.5 МВ/см), концентрация электронов под окислом
высокая, т.е. в тесте 1 обеспечивается присутствие у границы раздела, как
водородных комплексов, так и электронов. В тесте 2 реализуется ситуация,
когда поле в окисле положительно +0.5 МВ/см), но поверхность обеднена
электронами. Последнее достигается подачей на подложку большого
отрицательного смещения (-10В). В этом случае у поверхности присутствуют
только
водородосодержащие комплексы. В тесте 3 поле в окисле
отрицательное, т.е. поверхность обеднена водородосодержащими комплексами
(напряжение на затворе -1.6В, поле в окисле -0.5 МВ/см), но поверхность
обогащена электронами за счет инжекции из истока и стока (переходы истокподложка и сток-подложка имеют прямое смещение за счет подачи на подложку
напряжения 0.8В). Тест 4 соответствует случаю обеднению приповерхностной
области, как ионами, так и электронами: поле в окисле отрицательно
(напряжение на затворе -2.0В, поле в окисле -0.5 МВ/см), а поверхность
подложки обогащена дырками (режим аккумуляции).
26июня-2 июля 2010, Пицунда
26
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
МОП транзистор с управлением по
подложке
26июня-2 июля 2010, Пицунда
27
Table A1.
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Режимы работы МОП транзистора
Test
1
2
3
4
+
+
-
-
+
-
+
-
46
13
11
<5
Field in oxide
Electrons in the
substrate
ΔNitann/ΔNitirr (%)
26июня-2 июля 2010, Пицунда
28
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Накопление поверхностных состояний,
как функция времени отжига
26июня-2 июля 2010, Пицунда
29
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Метод (1019) для МДП приборов:
облучение+1000С отжиг
26июня-2 июля 2010, Пицунда
30
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Метод (1019) для МДП приборов:
облучение+1000С отжиг
26июня-2 июля 2010, Пицунда
31
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Эффект низкой интенсивности в биполярных
транзисторах
• Влияние мощности дозы
на радационноиндуцированную
деградацию
коэффициента усиления.
• Деградация
коэффициента усиления
значительно возрастает с
уменьшением
интенсивности
ионизирующего
излучения.
26июня-2 июля 2010, Пицунда
32
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Эффект низкой интенсивности в биполярных
транзисторах
• Зависимость приращения
базового тока npn (epic)
транзисторов от
поглощенной дозы для
мощностей дозы
0.1 рад(SiO2)/с и
20 рад(SiO2)/с.
• Транзисторы облучались
при нулевом и прямом
смещении на переходе
база-эмиттер.
• Измеренные изменения
тока соответствуют 0.6В.
26июня-2 июля 2010, Пицунда
33
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
PNP транзисторы
26июня-2 июля 2010, Пицунда
34
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Облучение при повышенной температуре
Ю.В. Баринов – 1984г. D. Fleetwood – 1994 г.
26июня-2 июля 2010, Пицунда
36
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Модель внутреннего поля
(D. Fleetwood)
• Схематическая иллюстрация
переноса дырок и электронов в
трех случаях: (а) в начале
облучения, до того как в окисел
начал встраиваться объемный
заряд; (б) при высокой
мощности дозы, когда дырки
захватываются на
метастабильные центры в
объеме SiO2, вызывая
проявление эффектов
объемного заряда; (в) при
низкоинтенсивном облучениии,
когда часть дырок
эмиттируется с
метастабильных центров и
переносится к границе Si/SiO2.
26июня-2 июля 2010, Пицунда
37
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Образование заряда Qot
•
Радиационный эффект ~
генерация e-h пар
•
В сильных полях «близнецовая» рекомбинация
•
Дисперсионный перенос
дырок
р еко м би н ац ия
ч ер ез «хв о сты »
п л о тн о сти
со сто я н ий зо н
б л и зн ец о в ая
р еко м би н ац ия
З еб р ев
п р о ц есс ,
2005
Б ел я ко в
п р о ц есс,
199 5
26июня-2 июля 2010, Пицунда
38
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Накопление зарядов в толстом МДП окисле
R. Durand, RADECS-2006
26июня-2 июля 2010, Пицунда
39
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Эффекты низкой интенсивности в структуре металл-диэлектрикполупроводник (МДП)
• Влияние температуры при
облучении на
энергетическое
распределение плотности
поверхностных состояний
(относительно середины
запрещенной зоны) на
границе раздела оксидполупроводник.
• Возрастание температуры
приводит к увеличению
темпа встраивания
поверхностных состояний.
26июня-2 июля 2010, Пицунда
40
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Заряд в окисле
Энергетический уровень заряда в окисле
Эффект обратимого
отжига: должны быть
заняты уровни напротив
запрещенной зоны кремния
26июня-2 июля 2010, Пицунда
41
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Отжиг положительного заряда
26июня-2 июля 2010, Пицунда
42
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Эффект обратимого отжига
26июня-2 июля 2010, Пицунда
43
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Захват и эмиссия электрона
26июня-2 июля 2010, Пицунда
44
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Захват и эмиссия дырки
26июня-2 июля 2010, Пицунда
45
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Энергетическая диаграмма границы раздела окисел-полупроводник (SiO2-Si),
иллюстрирующая конверсию положительного заряда захваченных дырок Qot
oi
Q ot e N it
K
26июня-2 июля 2010, Пицунда
46
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Две группы ловушек: мелкие и глубокие
26июня-2 июля 2010, Пицунда
47
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Интеграл свертки
Процесс конверсии происходит непрерывно по мере
набора дозы, поэтому в любой момент времени t
приращение концентрации поверхностных состояний
определяется с использованием интеграла свертки:
t
N it K
oi
K g f y ( t ) K r ( t t )d t 0
где Kr(t-t’) - импульсная функция отклика (реакция
на воздействие δ-функции единичной дозы); t’ переменная интегрирования.
26июня-2 июля 2010, Пицунда
48
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Зависимость приращения плотности поверхностных состояний или
приращения тока базы от интенсивности и времени облучения
I Б К Г К М
D Г
D К Г Г e
1
26июня-2 июля 2010, Пицунда
49
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
S.C. Witczak, IEEE Trans. Nucl. Sci., 1996
26июня-2 июля 2010, Пицунда
50
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
R.K. Freitag, D.B. Brown, Study of low-dose-rate effects on commercial linear
bipolar ICs. IEEE Trans. Nucl. Sci., 1998, vol. NS-45, no.6, pp.2649-2658.
26июня-2 июля 2010, Пицунда
51
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
J. Boch, F. Saigne, R.D. Schrimpf, J.-R. Vaille, L. Dusseau, E. Lorfevre, Physical Model for
the Low-Dose-Rate Effect in bipolar Devices. IEEE Trans. Nucl. Sci., 2006, vol. NS-54,
no.6, pp.3655-3660.
26июня-2 июля 2010, Пицунда
52
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Экспериментальные значения подстроечных
коэффициентов
26июня-2 июля 2010, Пицунда
53
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Расчетная зависимость приращения тока базы NPN
транзистора КТ3102А от интенсивности облучения
26июня-2 июля 2010, Пицунда
54
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Расчет тока поверхностной рекомбинации
Модель «поверхностных
состояний»
26июня-2 июля 2010, Пицунда
55
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Заряд в окисле и на поверхностных состояниях
в NPN и PNP транзисторах
26июня-2 июля 2010, Пицунда
56
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Краевая область базы под пассивирующим окислом 1 –
пассивирующий окисел, 2 – область объёмного заряда
26июня-2 июля 2010, Пицунда
57
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Зонная диаграмма границы раздела пассивирующего
окисла и p-базы NPN транзистора
26июня-2 июля 2010, Пицунда
58
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Зонная диаграмма границы раздела пассивирующего
окисла и n-базы PNP транзистора
26июня-2 июля 2010, Пицунда
59
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Расчетная зависимость приращения тока базы от
интенсивности облучения
tобл = 116 сут.
tобл = 58 сут.
Восстановление S-образной кривой по четырем точкам
Облучение при повышенной температуре
26июня-2 июля 2010, Пицунда
60
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Моделирование эффекта низкой интенсивности:
облучение при повышенной температуре
26июня-2 июля 2010, Пицунда
61
Проблема
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Экстракция параметров
модели
26июня-2 июля 2010, Пицунда
62
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Послерадиационный отжиг при комнатной температуре и
при 100ОС компаратора LM111 (R.K. Freitag, 1998)
26июня-2 июля 2010, Пицунда
63
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Послерадиационный отжиг при комнатной температуре
приборов, облученных интенсивностями 0,05 и 10 рад/с
(R.D. Schrimpf, 1995)
26июня-2 июля 2010, Пицунда
64
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Латентный процесс
• Характерная кинетика
латентной релаксации
• Энергия активации
процесса составляет около
0.5 эВ, что совпадает с
аналогичной
характеристикой процесса
диффузии молекулярного
водорода в кремнии и
пленках диоксида
кремния
26июня-2 июля 2010, Пицунда
65
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Эффект послерадиационного отжига
•
Изменение относительного
приращения тока базы npn
транзисторов при
послерадиационном отжиге.
• Транзисторы облучались на
источнике 60Co до поглощенной
дозы 500 крад(SiO2) при
мощности дозы 240 рад(SiO2)/с.
• Изохронный отжиг проводился
в течение30 минут при
температурах: (A) 60ºC, (B)
1000C, (C) 1500C, (D) 2000C, (E)
2500C.
26июня-2 июля 2010, Пицунда
66
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
26июня-2 июля 2010, Пицунда
67
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
26июня-2 июля 2010, Пицунда
68
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Закон Аррениуса
EA
Г Г 0 exp kT
26июня-2 июля 2010, Пицунда
69
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Экспериментальные данные
EA = 0.48эВ, τГ0= 0.18·10-3 с
(NPN BC817)
EA = 0.38эВ, τГ0 = 4.5·10-3 с
(PNP BC807)
26июня-2 июля 2010, Пицунда
70
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Специфика высокой интенсивности
26июня-2 июля 2010, Пицунда
71
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Экстракция Nг
Использование
высокотемпературного
облучения для
экстракции
концентрации глубоких
ловушек
26июня-2 июля 2010, Пицунда
72
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
ИСТИННЫЙ (TRUE) ИЛИ
ВРЕМЕННОЙ (TIME
DEPENDENT) ХАРАКТЕР
ЭФФЕКТА НИЗКОЙ
ИНТЕНСИВНОСТИ
26июня-2 июля 2010, Пицунда
73
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Конверсия заряда при облучении и
отжиге
Для npn транзисторов конверсия при облучении
может быть связан с фотоэлектронами
р подложка
При послерадиационном
отжиге фотоэлектроны
отсутствуют
26июня-2 июля 2010, Пицунда
74
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Подсветка рентгеновским излучением
Отжиг (100оС) + X
Отжиг (100оС)
облучение
26июня-2 июля 2010, Пицунда
75
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Специфика
изолирующего окисла в
сложных МОП
микросхемах
26июня-2 июля 2010, Пицунда
76
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Толстый изолирующий окисел МОП микросхем
• Отсутствие в МОП СБИС эффекта низкой
интенсивности,
связанного с возникновением паразитного
тока утечки под
изолирующем окислом
• Если главную роль играет заряд
поверхностных состояний, то утечка,
зависящая в основном от объемного заряда
в окисле, не увеличивается при уменьшении
интенсивности облучения
26июня-2 июля 2010, Пицунда
77
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Расчет режима высокотемпературного
облучения
• Экстракция Nг, τг, EA
• Расчёт (ΔIб)орбита при
интенсивности на орбите
•Расчёт τг при тестовой
интенсивности для (ΔIб)орбита
•Расчёт (Tобл)тест с использованием
τг=τг0·exp(EA/kT)
26июня-2 июля 2010, Пицунда
78
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
Облучение сложных схем
26июня-2 июля 2010, Пицунда
79
ФИНАЛ
Кафедра
Микро- и наноэлектроники
СПАСИБО
ЗА ВНИМАНИЕ
26июня-2 июля 2010, Пицунда
80
Документ
Категория
Презентации
Просмотров
18
Размер файла
8 556 Кб
Теги
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа