Кафедра Микро- и наноэлектроники 56 Заряд в
advertisement
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 QS Qot Qit 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 e h 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) 103 рад SiO2 c D const 101 102 26июня-2 июля 2010, Пицунда рад SiO2 c рад SiO2 c 21 Кафедра Микро- и наноэлектроники Конверсионная модель U пор U ot U it Uit Koi N0t макс N0t 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 рекомбинация через «хвосты» плотности состояний зон близнецовая рекомбинация Зебрев процесс, 2005 Беляков процесс, 1995 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 Koi Qot e N it 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 )dt 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 D Г I Б К Г К М 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 E A 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
