научная статья по теме МОДЕЛИРОВАНИЕ ИОНИЗАЦИОННОЙ РЕАКЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ КМОП КНС МИКРОСХЕМ ПРИ ИМПУЛЬСНОМ ИОНИЗИРУЮЩЕМ ВОЗДЕЙСТВИИ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «МОДЕЛИРОВАНИЕ ИОНИЗАЦИОННОЙ РЕАКЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ КМОП КНС МИКРОСХЕМ ПРИ ИМПУЛЬСНОМ ИОНИЗИРУЮЩЕМ ВОЗДЕЙСТВИИ»

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2008, том 37, № 1, с. 28-44

== МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ РАДИАЦИОННЫХ ^^^^^^

ЭФФЕКТОВ В МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ ИЗДЕЛИЯХ

УДК 621.3.049.77

МОДЕЛИРОВАНИЕ ИОНИЗАЦИОННОЙ РЕАКЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ КМОП КНС МИКРОСХЕМ ПРИ ИМПУЛЬСНОМ ИОНИЗИРУЮЩЕМ ВОЗДЕЙСТВИИ

© 2008 г. А. В. Киргизова, П. К. Скоробогатов, А. Ю. Никифоров, Л. Н. Кессаринский, Г. Г. Давыдов, А. Г. Петров

ОАО "Экспериментальное научно-производственное объединение СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ", Москва

avkir@spels.ru Поступила в редакцию 09.04.2007 г.

В работе рассматривается конструктивно-технологическое моделирование поведения базовых элементов микросхем на структурах "кремний на сапфире" (КНС) при импульсных ионизирующих воздействиях (ИИВ). В результате расчетно-экспериментального моделирования проанализированы особенности лазерного имитационного моделирования элементов КМОП КНС ИС. Установлено, что энергетически-оптимальный диапазон длин волн лазерного излучения для имитационного моделирования объемных ионизационных эффектов в КНС ИС находится в пределах от 0.75 до 0.90 мкм.

1. ВВЕДЕНИЕ

Современные тактико-технические требования, предъявляемые к аппаратуре [1, 2] и, соответственно, элементной базе систем управления специального назначения [3] (ракетно-космической и другой военной техники, систем связи, а также физического эксперимента), определяют условия их эксплуатации при радиационных воздействиях, среди которых наибольшим поражающим действием по отношению к изделиям микроэлектроники (по энергетическому критерию) обладает ИИВ [4-7].

Заданные требования по сохранению работоспособности после воздействия ИИВ с уровнями 1012...1013 ед/с и сбоеустойчивости не менее 1011 ед/с, а в ряде случаев до (1.5) х 1012 ед/с, являются принципиально недостижимыми для ИС на объемных и эпитаксиальных кремниевых структурах. Данное обстоятельство обуславливает необходимость построения ИС на структурах с диэлектрической изоляцией элементов (КНИ), которые обеспечивают существенное снижение ионизационных токов и подавление паразитных связей между соседними элементами ИС при ИИВ [4, 7]. Исторически первой и до настоящего времени практически единственной промышленно освоенной отечественной КНИ-технологией для ИС является "кремний на сапфире".

В результате проведенного анализа установлено, что имеющиеся модели и использующие их системы моделирования и проектирования КНС ИС оказались недостаточно приспособлены для анализа радиационно-индуцированных сбоев в КНС ИС в области предельных уровней ИИВ.

В данной работе рассматриваются этапы конструктивно-технологического моделирования при иИв транзистора (МОПТ) на КНС-структуре, а также инвертора как базового элемента КМОП КНС ИС. Этапы схемотехнического моделирования в работе не рассматриваются. Предложены методы развития лазерного имитационного моделирования элементов КМОП КНС ИС на основе рационального выбора длины волны ЛИ, что позволяет обеспечить адекватность моделирования доминирующих эффектов и многократный (в сотни-тысячи раз) рост информативного объема радиационных испытаний практически без увеличения затрат на их проведение.

2. СТРУКТУРА БАЗОВЫХ ОБЪЕКТОВ И УРОВНЕЙ

РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Современный подход к описанию, анализу и моделированию радиационных отказов в изделиях микроэлектроники предполагает выявление доминирующих радиационных эффектов и механизмов отказов ИС, их теоретический анализ и иерархическое моделирование расчетно-экспери-ментальными методами. Особенностью КМОП КНС ИС является то, что вследствие использования диэлектрической изоляции элементов паразитные тиристорные структуры отсутствуют, а паразитные биполярные структуры выражены слабо (коэффициенты передачи тока базы малы из-за высокой дефектности приборных слоев и связанной с этим малой величиной времени жизни свободных носителей в базе). Поэтому структуру

Рис. 1. Структура базовых объектов и уровней расчетно-экспериментального моделирования КМОП КНС ИС.

базовых объектов и уровней расчетно-экспериментального моделирования в составе КМОП КНС ИС можно предложить в виде, представленном на рис. 1.

В предложенной структуре моделирования важной особенностью является итерационная взаимосвязь, во-первых, расчетных и экспериментальных методов моделирования, а во-вторых, конструктивно-топологических и схемотехнических модельных представлений.

Следует отметить, что в соответствии с иерархическим подходом [4], по системе уравнений и их параметров оба класса моделей относятся к электрическому уровню модельного описания и представляют его конструктивно-топологический (на основе фундаментальной системы уравнений непрерывности, переноса и Пуассона) и схемотехнический (на основе уравнений Кирхгофа) подуровни. Идентификация параметров и верификация расчетных моделей осуществляется по результатам экспериментальных исследований тестовых структур и схем. Следует отметить также, что результаты конструктивно-топологического моделирования формируют исходные данные для схемотехнического моделирования.

Этапы конструктивно-технологического моделирования полупроводниковых областей изложены в работах [8, 9].

Существенное влияние на характер радиационного поведения и уровень сбоеустойчивости КМОП КНС ИС при предельных уровнях ИИВ может оказывать эффект радиационно-индуци-рованной проводимости сапфировой (А1203) подложки. Параметры и механизмы проводимости

сапфира значимы для корректного описания импульсной ионизационной реакции КНС ИС, однако этот эффект практически не учитывался в ранее разработанных моделях. Моделирование диэлектрических областей и результаты экспериментов представлены в [10-14]. В результате расчетно-экс-периментального моделирования [10-14] установлено, что ионизационная проводимость сапфира имеет омический характер, т.е. зависимости радиа-ционно-индуцированного тока утечки от приложенного напряжения и от мощности дозы являются линейными, а форма ионизационного отклика в сапфире повторяет форму ИИВ. Результаты экспериментальных исследований тестовых КНС-струк-тур на моделирующей установке "РИУС-5" позволили оценить коэффициент ионизационной проводимости сапфира: аР = 4 х 10-15 [Ом см (рад/с)]-1. Установлено, что вклад полупроводниковых областей в реакцию МОПТ преобладает над вкладом сапфировой подложки до уровней воздействия 1012 ед/с. С ростом мощности дозы относительный вклад сапфира в формирование сбоев КМОП КНС БИС ЗУ растет и при уровнях ИИВ более 1012 ед/с вклад токов полупроводниковых и диэлектрических структур становятся сопоставимыми.

Запрет на проведение натурных опытов, особенности и сложности использования моделирующих установок для определения показателей стойкости и сбоеустойчивости КНС ИС в диапазоне предельных уровней ИИВ, определили широкое применение и развитие для решения данных задач имитационных экспериментальных методов моделирования. Наилучшее сочетание адекватности и технико-экономической эффективности модели-

Параметры тестовых МОПТ, КМОП КНС ИС для моделирования

Параметры я-канал ^-канал

толщина приборного слоя, [мкм] 0.3 или 0.6 0.3 или 0.6

ширина канала, Жк [мкм] 100 100

длина канала, Ьк [мкм] 3.2 2.8

длина истока, Ьи [мкм] 13 13

длина стока, Ьс [мкм] 15.2 15.2

длина контакта металлизации к истоку, [мкм] 7.3 7.3

длина контакта металлизации к стоку, [мкм] 10.6 10.3

уровни легирования приборного слоя, [см] 1016 1016

уровни легирования областей стока и истока, [см-3] 1019 1019

исходные подвижности электронов, [В/(см с2)] 350 350

исходные подвижности дырок, [В/(см с2)] 250 250

исходные времена жизни электронов, [нс] 2 2

исходные времена жизни дырок, [нс] 1 1

рования эффектов мощности дозы обусловили выбор лазерных имитаторов в качестве базовых источников ИИВ при испытаниях кремниевых ИС [15-17].

Основным недостатком лазерного излучения (ЛИ) с длиной волны 1.06.. .1.08 мкм применительно к ИС на КНС-структурах является относительно малое значение коэффициента поглощения излучения в кремнии [17], при котором значительная часть энергии излучения проходит тонкий (доли микрон) приборный слой "насквозь" и не участвует в процессе ионизации.

Достижение предельных уровней ИИВ в приборных слоях КНС требует повышения интенсивности падающего излучения, которая может вызывать повреждение поверхности кристаллов вследствие термодинамических эффектов. Более того, при увеличении интенсивности лазерного излучения свыше 106 Вт/см2 существенную роль могут начать играть различные эффекты, нарушающие адекватность моделирования (эффекты изменения коэффициента поглощения, Бурштей-на-Мосса, двухфотонного поглощения, нагрева слоя полупроводника и др.). Повышение эквивалентной мощности дозы можно достичь за счет роста интенсивности ЛИ, который, однако, ограничивается энергетикой существующих излучателей.

Существенного повышения эффективности использования энергии лазерного излучения можно добиться путем уменьшения его длины волны, что обеспечивает рост коэффициента поглощения [18-19]. Основным препятствием, затрудняющим использование "короткого диапазона" длин волн для лазерного имитационного моделирования эффектов мощности дозы в кремниевых областях КМОП КНС ИС, является сильная неравномерность распределения ионизации по глубине кристалла, связанная с высоким значением коэффициента поглощения энергии в поликремниевых областях.

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ИОНИЗАЦИОННОЙ

РЕАКЦИИ КНС МОП ТРАНЗИСТОРА

Одним из основных механизмов, определяющих ионизационную реакцию элементов КНС ИС при ИИВ, является образование ионизационных токов стоковых р-п-переходов МОПТ [4-8]. Теоретический анализ ионизационной реакции элементов КНС ИС в диапазоне высоких уровней ИИВ требует использования численных методов моделирования. Для численного моделирования объемных ионизационных эффектов в элементах КМОП БИС принято использовать диффузионно-дрейфовую модель [18, 20], основанную на предположении о том, что длительность ИИВ и характерные времена переключений элементов (единицы и десятки наносекунд) существенно больше времени релаксации импульса и энергии носителей заряда. Диффузионно-дрейфовая модель позволяет ввести ионизацию

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Электроника. Радиотехника»