научная статья по теме ВЫБОР ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ОБЪЕМНЫХ ИОНИЗАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ В ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ КРЕМНИЕВЫХ МИКРОСХЕМАХ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «ВЫБОР ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ОБЪЕМНЫХ ИОНИЗАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ В ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ КРЕМНИЕВЫХ МИКРОСХЕМАХ»

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 44, № 1, с. 12-27

МЕТОДИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ ИЗДЕЛИЙ НА РАДИАЦИОННУЮ СТОЙКОСТЬ

УДК 621.3.049.77:539.1.043

ВЫБОР ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ОБЪЕМНЫХ ИОНИЗАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ В ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ КРЕМНИЕВЫХ МИКРОСХЕМАХ

© 2015 г. П. К. Скоробогатов, А. Ю. Никифоров, А. Н. Егоров

Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" ОАО "ЭНПО Специализированные электронные системы" E-mail:pkskor@spels.ru, aynik@spels.ru, anegor@spels.ru Поступила в редакцию 25.05.2014 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 технологии "кремний-на-изо-ляторе" (КНИ) и "кремний-на-сапфире" (КНС) в общем случае зависит от технологических особенностей изготовления и лежит в пределах от 0.9 до 0.75 мкм.

DOI: 10.7868/S0544126915010081

ВЕДЕНИЕ

Требования радиационной стойкости современных микросхем военного и специального назначений предполагают необходимость проведения испытаний на стойкость к воздействию импульсных ионизирующих излучений (ИИ) в диапазоне эквивалентных мощностей поглощенных доз испытательных воздействий до 1012 рад(81)/с и выше. Одним из самых эффективных способов проведения таких испытаний является использование лазерных методов испытаний с калибровкой на импульсных гамма-установках, возможности которых подробно рассмотрены и обоснованы в работах [1—7].

С целью обеспечения однородного распределения интенсивности ионизации по глубине кремния обычно используют импульсные твердотельные лазеры на основе Nd:YAG с длинами волн 1.06 и 1.08 мкм. Эта длина волны соответствует глубине поглощения ЛИ в кремнии около 700 мкм [8] и является оптимальной по этому критерию для большинства кремниевых микросхем объемной и эпитаксиальной технологий. Однако низкая эффективность использования энергии ЛИ в кремнии, особенно для тонкослойных структур "кремний-на-сапфире" (КНС) и "кремний-на-изоляторе" (КНИ), для обеспечения требуемых предельных значений эквивалент-

ных мощностей поглощенных доз требует применения чрезмерно высокоинтенсивных потоков ЛИ, что может вызвать повреждение поверхности кристалла вследствие термодинамических эффектов. Кроме того, возможность повышения эквивалентной мощности дозы за счет роста интенсивности ЛИ ограничивается энергетикой существующих излучателей. Более перспективным является повышение эквивалентной мощности поглощенной дозы в полупроводнике за счет рационального выбора значений длин волн ЛИ с соответственно более высокими значениями коэффициентов поглощения энергии.

1. ОСОБЕННОСТИ ПОГЛОЩЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

В КРЕМНИЕВЫХ МИКРОСХЕМАХ

Основным достоинством рассмотренных ранее лазерных источников с длинами волн 1.06— 1.08 мкм является практически равномерная ионизация активных областей приборов по глубине, что особенно существенно при испытаниях объемных кремниевых структур с облучением с донной стороны подложки [9]. Однако это свойство становится недостатком при испытаниях тонкопленочных КНИ и КНС приборов, так как определяет низкую эффективность использования энергии излучения вследствие малого коэф-

х, мкм

Рис. 1. Распределения интенсивности ионизации по глубине кремниевой пластины толщиной 400 мкм при облучении ЛИ с длинами волн 0.53 (1), 0.9 (2) и 1.06 мкм (3) и интенсивностью 103 Вт/см2.

фициента поглощения в приборном слое кремния. Оценки показывают, что при использовании для моделирования объемных ионизационных эффектов в КНИ-структурах с толщиной приборного слоя 0.2 мкм излучения с длиной волны 1.06 мкм лишь около 0.03% энергии излучения реально участвует в ионизации кремния. Остальная энергия поглощается в пассивных областях подложки или покидает кристалл [10, 11].

Основным препятствием, затрудняющим использование относительно коротких длин волн (менее 0.8 мкм) для лазерного моделирования объемных ионизационных эффектов в кремниевых микросхемах, является сильная неравномерность распределения ионизации по глубине кристалла, связанная с высоким значением коэффициента поглощения энергии.

В качестве примера на рис. 1 приведены зависимости распределения интенсивности ионизации (скорости генерации электронно-дырочных пар) по глубине 400 мкм кремниевой пластины при облучении ее ЛИ с тремя различными длинами волн при интенсивности излучения 103 Вт/см2.

С целью наглядности сравнения зависимостей графики интенсивности ионизации изображены в логарифмическом масштабе. Если при длине волны 1.06 мкм интенсивность ионизации (а, следовательно, и эквивалентная мощность поглощенной дозы) уменьшается менее чем в два раза на глубине 400 мкм, то при использовании длин волн диапазона 0.5...0.6 мкм основная доля энергии ЛИ выделяется в тонком приповерхностном слое толщиной несколько микрометров. Естественно это не может не влиять на адекватность лазерного моделирования объемных ионизационных эффектов, вызванных воздействием высо-

коэнергетичных гамма и рентгеновских ИИ на кремниевые структуры микросхем.

Особенности КНИ и КНС тонкопленочных структур микросхем позволяют существенно расширить возможности и диапазоны применимости лазерных методов по следующим причинам:

— малая толщина приборного слоя КНИ и КНС микросхем расширяет диапазон возможных для применения длин волн ЛИ, в частности, дает возможность уменьшения длины волны ЛИ при сохранении удовлетворительной равномерности распределения интенсивности ионизации по глубине приборного слоя;

— малые значения времен жизни носителей в приборном слое КНС микросхем существенно снижают достижимые максимально возможные концентрации неравновесных носителей заряда. Это уменьшает вклад и влияние нелинейных оптических эффектов на поглощение ЛИ и определение эквивалентной мощности поглощенной дозы.

2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВТОРОЙ ГАРМОНИКИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ОБЪЕМНЫХ

ИОНИЗАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ В ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ СТРУКТРАХ И МИКРОСХЕМАХ

2.1. Результаты лазерного моделирования тестовых КНС-структур

Прямая связь ионизационного тока с интенсивностью ионизации позволяет использовать этот параметр для оценки оптимального (наиболее эффективного) диапазона длин волн ЛИ для ионизационного воздействия на микросхемы. Поскольку формирование ионизационного тока в реальных

Рис. 2. Поперечное сечение тестовой МОП КНС-структуры.

X, мкм

Рис. 3. Зависимость величины ионизационного тока (в относительных единицах) от длины волны ЛИ при воздействии его на КМОП/КНС-структуру.

структурах происходит в условиях сложной и неодномерной геометрии необходимо использовать численные методы моделирования, обеспечивающие возможность как минимум двумерного анализа воздействия лазерного излучения на элементы микросхем. В качестве такого продукта был использован доработанный двумерный комплекс численного моделирования "DЮDE-SOГ', на базе "DЮDE-2D" [12], который учитывает эффекты переотражения излучения внутри тонких приборных слоев, создающих дополнительную неравномерность распределения ионизации по объему (эффекты интерференции).

Анализу подвергалась тестовая структура типовой технологии КМОП КНС с толщиной приборного слоя 0.3 мкм, изображенная на рис. 2.

Размеры структуры были выбраны равными: длина канала — Ьк = 2 мкм; длины областей стока и истока — Ьс = Ьи = 10 мкм; ширина структуры Жк = 10 мкм; толщина приборного слоя кремния — = 0.3 мкм. Уровень легирования приборного слоя был взят равным 2 х 1016 см-3, а областей стока и истока — 5 х 1018 см-3. Время жизни неравновесных носителей в подзатворной области было взято равным 0.9 нс для электронов и дырок. Время жизни неравновесных носителей в сильнолегированных областях стока и истока было взято равным 0.6 нс для электронов и дырок. Максимальная подвижность электронов считалась равной 250 см2/(В с), а дырок 200 см2/(В с). На структуру подавалось постоянное напряжение смещения 5 В между областями стока и истока.

1е+9 1е+10 1е+11 1е+12 1е+13 Рэкв, Рад (81)/е

Рис. 4. Зависимости интенсивности лазерного излучения, необходимой для обеспечения заданной мощности дозы в элементе КМОП/КНС, для двух длин волн: 1.06 (1) и 0.53 мкм (2).

На рис. 3 приведена полученная в результате численного моделирования зависимость величины ионизационного тока (в относительных единицах) от длины волны ЛИ при воздействии его на КМОП/КНС-структуру.

Видно, что во всем исследованном диапазоне длин волн величина ионизационного тока увеличивается с уменьшением длины волны. Связано это с тем, что чувствительная структура очень тонкая (0.3 мкм) и практически прозрачная для ЛИ вплоть до длин волн 0.5 мкм. Поэтому, чем меньше длина волны, тем больше коэффициент поглощения и выше достижимая эквивалентная мощность дозы при том же значении интенсивности ЛИ.

Поэтому при выборе излучателя для моделирования объемных ионизационных эффектов таких структур необходимо ориентироваться на более короткие длины волн. Наиболее оптимальным в этом отношении представляется, на первый взгляд, использование второй гармоники ЛИ, т.е. использование нелинейных преобразователей (конверторов) длины волны 1.06—1.08 мкм в длину волны 0.53—0.54 мкм. Коэффициент преобразований современных конверторов достигает

30%, что обеспечивает достаточно высокую интенсивность ЛИ на выходе [13].

Зависимости интенсивности ЛИ, необходимой для обеспечения заданной эквивалентной мощности поглощенной дозы в элементах КНС структур для двух длин волн приведены на рис. 4.

Видно, что для создания эквивалентной мощности 1013 рад(81)/с с помощью ЛИ основной гармоники (1.06 мкм) нужна интенсивность излучения в районе 107 Вт/см2, что создает определенные трудности. Лазерное излучение такой интенсивности может вызвать повреждения в приповерхностных слоях микросхем. Для создания той же эквивалентной мощности дозы на длине волны 0.53 мкм достаточно всего 105 Вт/см2, что технически значительно проще. При максимальной интенсивности исходно

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»