МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2014, том 43, № 2, с. 127-132
== МОДЕЛИРОВАНИЕ РАДИАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ ^^^^^^
В ИЗДЕЛИЯХ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
УДК 621.3.049.77:539.1.043
ВЫБОР ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ИОНИЗАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ В КРЕМНИЕВЫХ МИКРОСХЕМАХ ОБЪЕМНОЙ ТЕХНОЛОГИИ © 2014 г. А. Ю. Никифоров, П. К. Скоробогатов, А. Н. Егоров, Д. В. Громов
Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" ОАО "ЭНПО Специализированные электронные системы" E-mail: aynik@spels.ru, pkskor@spels.ru, anegor@spels.ru Поступила в редакцию 22.05.2013 г.
Обоснован метод повышения эффективности использования энергии лазерного излучения (ЛИ) для создания высоких уровней эквивалентной мощности дозы, основанный на уменьшении длины волны излучения. Показано, что оптимальный диапазон энергий ЛИ для моделирования объемных ионизационных эффектов в КМОП-микросхемах, выполненных по объемной технологии, лежит в пределах от 1.08 до 0.97 мкм.
DOI: 10.7868/S0544126914020070
ВВЕДЕНИЕ
В работе [1] обоснована процедура выбора оптимальной длины волны ЛИ с целью повышения эффективности моделирования воздействия импульсных ионизирующих излучений на тонкопленочные КНИ и КНС КМОП--микросхемы. Показано, что оптимальный диапазон длин волн ЛИ для моделирования объемных ионизационных эффектов в таких микросхемах в общем случае зависит от технологических особенностей изготовления и лежит в пределах от 0.9 до 0.75 мкм. При этом экспериментально измеренный выигрыш в эффективности использования энергии ЛИ может достигать 86 раз.
Для КМОП-микросхем, выполненных по кремниевой объемной технологии, общепринятым является использование импульсных твердотельных лазеров на основе с длинами волн 1.06 и
1.08 мкм. Эта длина волны соответствует глубине поглощения ЛИ в кремнии около 700 мкм [2] и является оптимальной по этому критерию для большинства кремниевых микросхем объемной и эпи-таксиальной технологий. Однако и в данном случае можно найти хотя и более узкий диапазон энергий ЛИ, в пределах которого возможно повышение эффективности использования энергии излучения при сохранения адекватности моделирования.
1. ВЫБОР ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ТЕСТОВЫХ СТРУКТУР, ВЫПОЛНЕННЫХ ПО ОБЪЕМНОЙ ТЕХНОЛОГИИ
Применения относительно коротких длин волн излучения, имеющих больший коэффициент по-
глощения, может позволить существенно снизить требования к энергетике лазерных имитаторов, снизить риск повреждения поверхности микросхемы, повысить безопасность экспериментов, что было показано выше на примере тонкопленочных микросхем. Однако реализация на практике такого подхода для более широкого класса кремниевых микросхем требует тщательной оценки влияния роста неравномерности ионизации по глубине испытуемого прибора на адекватность лазерного имитационного моделирования для различных групп приборов.
Поэтому был проведен численный анализ [3] и комплекс экспериментальных исследований типичных КМОП-структур и микросхем при воздействии лазерного излучения с длинами волн от 1.06 до 0.85 мкм с целью определения допустимого диапазона длин волн для адекватного моделирования объемных ионизационных эффектов. Эксперименты были выполнены с использованием лазерного имитатора "РАДОН-8" [4].
Для исследования особенностей поведения КМОП-микросхем объемной технологии использовалась тестовая структура Т8СРН2, изображенная на рис. 1. Тестовая структура представляет собой выполненную по типовой 2-микронной КМОП-технологии р-п-переход карман-подложка. При испытаниях на р-п-переход структуры подавалось обратное напряжение величиной 5 В. Расчет ионизационной реакции структуры выполнялся с использованием программы "DЮDE-2D".
Структура выполнена по объемной технологии на подложке р-типа КДБ-12, легированной бором до уровня 12 Ом см (концентрация приме-
НИКИФОРОВ и др.
пшппшп
А1
\+
Р+
\12
А2
Vcc
\13 К1
\14 К2
т;
п п
п-карман
р-подложка
32 36
56 60 70 80 84
0
0.35 0.60
400
104 108 118120 130
150
8ГГ
т
6
0
Рис. 1. Поперечное сечение тестовых структур Т8СРНХХ.
си 1.5 х 1015 см-3). Карманы и-типа глубиной 6 мкм легированы фосфором до уровня поверхностного сопротивления 1.7 кОм/кв. Диффузионные области р+-типа глубиной 0.6 мкм легированы до 110 Ом/кв, а и+-типа глубиной 0.35 мкм легированы до 40 Ом/кв. Выводы структур обозначены как А1, А2 (анод 1, анод 2) и К1, К2 (катод 1, катод 2). Размеры и-кармана в плане 48 х 78 мкм. Размеры контактных окон 2 х 2 мкм.
Численные и экспериментальные результаты были представлены в виде зависимостей чувствительности ионизационного тока структуры = = 1р},т/11 от длины волны. Здесь ТрЬт — амплитуда ионизационного тока в мА, а 11 — максимальная интенсивность импульса лазерного излучения в Вт/см2. Максимальная интенсивность излучения при эксперименте поддерживалась в районе 103 Вт/см2, чтобы исключить влияние нелинейных ионизационных эффектов на формирование ионизационного тока.
Полученные расчетные и экспериментальные зависимости чувствительности тестовой структуры от длины волны лазерного излучения приведены на рис. 2. Так как рассматриваемый диапазон длин волн лежит вблизи края основной полосы поглощения кремния коэффициент поглощения лазерного излучения сильно зависит от длины волны. Это приводит к увеличению ионизационной чувствительности с уменьшением длины волны, что в принципе может быть использовано для повышения эффективности использования энергии ЛИ.
Эксперимент подтверждает возможность увеличения эффективности использования ЛИ при уменьшении длины волны и для структур объемной технологии. Наблюдаемая разница между рас-
четными и экспериментальными данными связана с неопределенностями физических параметров тестовой структуры, а также с использованием двумерного приближения.
Для того чтобы использовать на практике более короткие длины волн, необходимо исследовать влияние возникающего при этом роста неравномерности интенсивности ионизации по глубине кристалла на адекватность лазерного имитационного моделирования. Критерием адекватности в данном случае может служить сохранение соотношения мгновенной и запаздывающей составляющих ионизационного тока структуры, поскольку последняя из них формируется в глубине подложки, где сильнее сказывается неравномерность распределения ионизации.
Типичные формы ионизационного тока структуры, полученные при различных длинах волн, приведены на рис. 3. Эти осциллограммы позволяют оценить вклад носителей, генерированных в глубине подложки, на спад импульса тока.
Видно, что в диапазоне от 1.06 до 0.973 мкм форма ионизационного тока еще не слишком сильно искажается за счет дополнительной неравномерности распределения ионизации по глубине. При дальнейшем уменьшении длины волны ЛИ спад тока становится более резким. Полученные результаты находятся в хорошем соответствии с результатами численного моделирования [3], представленными на рис. 4.
Уменьшение вклада запаздывающей составляющей ионизационного тока при уменьшении длины волны ЛИ может привести к ошибке в определении времени восстановления работоспособности структуры после воздействия импульса излучения. В качестве примера, на рис. 5
мА (Вт/см2)
0.01
0.001
850 900 950 1000 1050
X, нм
Рис. 2. Численная (линия) и экспериментальная (точки) зависимости ионизационной чувствительности тестовой структуры от длины волны ЛИ.
приведены расчетные и экспериментальные зависимости времени спада ионизационного тока тестовой структуры (на уровнях 0.1-0.9 амплитуды) от длины волны. Видно, что в диапазоне длин волн от 1.06 до 0.973 мкм уменьшение времени спада не превышает двух раз. Ниже этого диапа-
зона ошибка в определении времени спада тока становится недопустимо большой.
Полученное в ходе экспериментов на тестовой структуре преимущество в эффективности использования энергии лазерного излучения на длине волны 0.973 мкм по сравнению с 1.06 мкм
Рис. 3. Осциллограммы ионизационного тока тестовой структуры, полученные при различных длинах волн ЛИ.
t, нс
Рис. 4. Расчетные формы ионизационного тока тестовой структуры при различных длинах волн ЛИ.
130
НИКИФОРОВ и др.
нм
100
10
850
900
950
1000
1050 X, нм
Рис. 5. Расчетная (линия) и экспериментальные (точки) зависимости времени спада ионизационного тока тестовой структуры (на уровнях 0.1—0.9 амплитуды) от длины волны ЛИ.
БрЬ, мА
850
900
950
1000
1050 X, нм
Рис. 6. Экспериментально полученные зависимости ионизационной чувствительности КМОП-инверто-ров 564ЛН2В от длины волны ЛИ.
составляет ~7 раз. При этом потеря в адекватности лазерного имитационного моделирования, оцениваемая по времени спада ионизационного тока, не превышает двух раз.
2. ВЫБОР ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ
ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ КМОП-МИКРОСХЕМ, ВЫПОЛНЕННЫХ ПО ОБЪЕМНОЙ ТЕХНОЛОГИИ
Для КМОП-микросхем, выполненных по объемной технологии на толстых подложках, ограни-
чения на используемую длину волны ЛИ могут оказаться еще боле жесткими.
Возможности вариации длин волн для КМОП-микросхем были исследованы на примере микросхемы инвертора низкой степени интеграции (564ЛН2В). Полученные экспериментальные результаты представлены на рис. 6 в виде зависимости чувствительности тока питания А1сс/11 от длины волны лазерного излучения. Здесь А/сс — амплитуда импульса тока цепи питания в мА, вызванного ионизацией. Максимальная интенсивность излучения при эксперименте также поддерживалась в районе 103 Вт/см2, чтобы исключить влияние нелинейных ионизационных эффектов на формирование ионизационного тока цепи питания.
Как и в случае тестовой структуры, мы наблюдаем рост ионизационной чувствительности с уменьшением длины волны излучения. Однако преимущество в эффективности использования энергии лазерного излучения не так значительно (сравните с рис. 2).
Диапазон длин волн, в пределах которого сохраняется адекватность лазерного имитационного моделирования, оказался несколько уже, чем в случае тестовой структуры. Эксперименты показали, что только в диапазоне длин волн от 1.06 до 0.988 мкм можно считать, что форма ионизационного тока цепи питания не слишком существенно искажается. Это
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.