РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 60, № 10, с. 1090-1096
^ ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
В ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ
УДК 004.942
МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ТЯЖЕЛЫХ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ СТРУКТУРЫ "КРЕМНИЙ НА ИЗОЛЯТОРЕ" © 2015 г. А. А. Глушко, Л. А. Зинченко, В. А. Шахнов
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана Российская Федерация, 105005, Москва, ул. 2-я Бауманская, 5 E-mail: andrei19386@mail.ru Поступила в редакцию 07.04.2014 г.
Рассмотрена методика численного моделирования изменения тока стока структуры "кремний на изоляторе" полевого транзистора с непрямым затвором при воздействии тяжелой заряженной частицы. Для моделирования использованы программа SRIM и программный комплекс приборно-технологического моделирования TCAD Sentaurus фирмы Synopsys. На основе полученных результатов даны рекомендации по выбору геометрии транзистора.
Б01: 10.7868/80033849415070074
ВВЕДЕНИЕ
Совершенствование космической аппаратуры предполагает ужесточение требований к надежности ее работы в условиях воздействия дестабилизирующих факторов. К числу таких факторов относится воздействие тяжелых заряженных частиц (ионов), попадание которых в элемент логики (транзистор) может привести к возникновению нежелательного импульса тока, и, как следствие, к возможному сбою в работе элемента [1].
Механизм воздействия тяжелой заряженной частицы заключается в том, что в области пролета она генерирует дополнительные пары свободных электронов и дырок, которые под воздействием внешнего электрического поля начинают двигаться, образуя тем самым нежелательную утечку электрических зарядов. Эта утечка, в конечном счете, может перевести схему на короткий промежуток времени в другое логическое состояние, что приведет к сбою в работе элемента [2]. Для исключения этого явления при проектировании схемотехнической защиты проводят анализ временных характеристик изменения электрического тока утечки при воздействии тяжелой заряженной частицы. Эту задачу рассматривали во многих работах (см., например, [1, 3—8]), однако, в них представлен только анализ воздействия тяжелых заряженных частиц для биполярных транзисторов и транзисторов на основе структур метал— окисел—полупроводник — (МОП)-транзисторов на общей эпитаксиальной подложке.
В настоящее время перспективным для различных приложений, в том числе в космической
аппаратуре, является использование МОП-транзисторов с непрямыми затворами, сформированных на подложке типа "кремний на изоляторе" (КНИ). Такие структуры обладают лучшими характеристиками по стойкости к воздействию радиационного излучения по сравнению с аналогичными структурами на эпитаксиальной подложке. Геометрия КНИ МОП-транзисторов (например ^-тип, 0-тип) является более сложной по сравнению с обычными МОП-транзисторами [9, 10]. Поскольку экспериментальные исследования предполагают изготовление нескольких партий пластин со сформированными на них транзисторными структурами, то проведение таких исследований является весьма дорогостоящим делом. Кроме того, они дают лишь интегральную оценку изменения характеристик КНИ МОП-транзисторов и не позволяют выполнить сравнительный анализ различных проектных решений.
В работе [10] показано, что программный комплекс приборно-технологического моделирования ТСЛЭ БеПаштаз фирмы 8упор8уз [11] можно использовать для исследования различных характеристик КНИ МОП-транзисторов. Однако для изучения воздействия тяжелых заряженных частиц (ионов) необходимо задавать не только траекторию движения иона и его энергию, но и дополнительные параметры, такие как линейную потерю энергии и характеристический радиус распределения генерируемых электронно-дырочных пар. В данной статье рассмотрены возможности использования программы 8ШМ [12] для расчета в системе ТСЛЭ ([11]) импульса тока, который возникает при воздействии тяжелой за-
ряженной частицы. С помощью 8ШМ пользователь по известной первоначальной энергии заряженной частицы может оценить параметры ее внедрения в кристалл монокристаллического кремния [5]. Предложенные подходы позволяют выполнить численное моделирование воздействия тяжелых заряженных частиц на характеристики КНИ МОП-транзисторов.
1. МОДЕЛЬ ГЕНЕРАЦИИ СВОБОДНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА ПОД ДЕЙСТВИЕМ ТЯЖЕЛЫХ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ
Для описания физических процессов, происходящих в КНИ МОП-транзисторе при воздействии тяжелой заряженной частицы, используют уравнение Пуассона и уравнения непрерывности.
Уравнение Пуассона имеет вид
ё1у(ео8 §гаё у) = -д(р _ п + _ МА_),
где е0 — электрическая постоянная, е — диэлектрическая проницаемость вещества, # — заряд электрона, р и п — концентрации дырок и свободных электронов, соответственно, у _ электростатический потенциал, Мв+ и ЫА_ — концентрации ионизованных атомов донорной и акцепторной примесей, соответственно.
Уравнения непрерывности для электронов и дырок имеют вид:
ШУ^ = _д(О _ Я) + ддп,
ОТ
divJp = q(G - R) + q
dp dt'
Gпот(0 =
-1Г- LET _ f (l), nwt (l)
(2)
где LET_f— потери энергии, выражаемые в пК/мкм; wt(l) — характеристический радиус, являющийся
Рис. 1. Пространственное распределение скорости генерации носителей.
функцией энергии иона и глубины его проникновения.
Функцию пространственного распределения скорости генерации носителей Я(м>, I) задают следующим образом:
Д w, l) = exp
f f \ 2 ^
w
V V Wt (l )j /
(3)
Функция временного распределения скорости генерации носителей Т(1) определяется следующим образом
(
2exp
T(t) =
t -t0 T
2\
т4к\ 1 + erf
t -10 T
Здесь 1п и Iр — векторы плотности электронного и дырочного токов соответственно, О—скорость генерации носителей, Я — скорость рекомбинации носителей. Воздействие тяжелых ионов приводит к генерации дополнительных носителей. Пространственное распределение скорости генерации носителей для рассматриваемой задачи схематично представлено на рис. 1 при помощи штриховых линий.
Скорость генерации О определяется как
0(1,м,,() = Опт(1)Шу*,1)Т($), (1)
где I — расстояние, пройденное ионом в полупроводнике; w — расстояние от траектории иона до рассматриваемой точки, I — время.
Функция Опот(Г) характеризует потери энергии иона и определяется следующим образом [11]:
V v t
Здесь t0 — момент времени, который соответствует проникновению иона в толщу полупроводника, Т0 — константа, принимаемая равной 2 х10-12 с [11], erf — функция ошибок.
Поскольку все элементы микросхемы расположены на глубине менее 1 мкм от границы раздела оксид—кремний, а на этих расстояниях величины LET_f и wt(l) практически не меняются [1], то эти величины можно рассматривать как зависящие только от первоначальной энергии иона при внедрении в толщу кремния.
Программа SRIM [12] позволяет определять по энергии исходного иона функцию потери энергии (2) и параметры пространственного распределения генерируемых зарядов (3) [13]. Для каждого значения энергии рассчитывают потери энергии на ионизацию (электронное торможение) в МэВ/(мг см2), потери энергии за счет взаимодействия с ядрами атомов кристаллической решетки в МэВ/(мг см2) (ядерное торможение), среднюю глубину проникновения, разброс по глубине проникновения и характеристический радиус wt.
Таблица 1. Параметры проникновения иона криптона в кремниевую подложку для различных значений энергии, полученные в программе $ЫМ
Энергия, МэВ (dE) , \dx! элек МэВ/(мг см2) И , \ dx] ядер МэВ/(мг см2) Средняя глубина проникновения, мкм Разброс глубины проникновения, мкм wt, мкм
130 39.4 0.1 20.5 0.680 0.725
140 39.8 0.097 21.5 0.698 0.730
150 40 0.09 22.6 0.716 0.734
В соответствии с [1, 5], для кремниевых пластин функцию потери энергии LETf в (2), определяют по потерям энергии на длине электронно-
idE\
го торможения ионов
(dE)
\dx! э
выраженным в
МэВ/(мг см2), следующим образом:
LET _f
(dE)
\dxJ э
100
где потери энергии определяют по таблице, генерируемой в программе 8ШМ.
Для начальной энергии иона криптона, изменяющейся в диапазоне от 130 до 150 МэВ, были получены параметры проникновения иона в кремниевую подложку (табл. 1).
Для иона криптона с энергией 150 МэВ линейная потеря энергии будет равна:
LET _f
(dE)
\dx) э
100
= — = 0.4 пКл/мкм. 100
Аналогично для иона неона с энергией 1.5 МэВ линейная потеря энергии равна LETf =
Ф
Рис. 2. Конфигурация канала исследуемого транзистора и направление движения иона: 1 — область стока, 2 — область истока, 3 — область канала.
= 0.06 пКл/мкм, а характеристический радиус — wt = 0.259 мкм.
2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ТОКА
СТОКА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ТЯЖЕЛОЙ ЗАРЯЖЕННОЙ ЧАСТИЦЫ
Моделирование полупроводниковых структур в системе приборно-технологического моделирования ТСАЭ БеПаигаз фирмы 8упор8уз [11] основано на использовании метода конечных элементов [10].
В данной работе представлены результаты трехмерного моделирования воздействия тяжелых заряженных частиц для двух типов транзисторов: п- и ^-канального. В рассматриваемой модели транзистора считается, что ионы, испущенные источником, внедряются в его приповерхностную область по центру канала (рис. 2). Геометрическая длина канала всех рассматриваемых транзисторов — 0.25 мкм, а геометрическая ширина канала — 1 мкм.
Расчет проводили для двух случаев воздействия тяжелой заряженной частицы на КНИ МОП-транзистор с непрямым затвором: 1) для иона криптона с энергией 150 МэВ, 2) для иона неона с энергией 1.5 МэВ.
Было найдено, что характеристический радиус и линейные потери в случае иона криптона равны 0.734 мкм и 0.4 пКл/мкм (см. табл. 1), а в случае иона неона — 0.259 мкм и 0.06 пКл/мкм.
Внедрение ионов осуществляли при положительном смещении на стоке для п-канального транзистора и отрицательном смещении для ^-канального транзистора. Величина смещения по абсолютной величине равна 2.5 В. Напряжение на всех остальных электродах транзисторов было равно 0 В. Направление внедрения иона характеризуется углом ф отклонения от нормали к поверхности пластины и углом 9 поворота пластины относительно оси абсцисс Ох (рис. 2). Моделирование выполняли для трех предельных случаев: 1) ф = 60°, 9 = 90°; 2) ф = 60°, 9 = 0; 3) ф = = 0°, 9 = 0.
1
Для указанны
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.