Моделирование дозовых и одиночных радиационных эффектов в кремниевых микро- и наноэлектронных структурах для целей проектирования и прогнозирования

Скачать 0.5 Mb.

Название	Моделирование дозовых и одиночных радиационных эффектов в кремниевых микро- и наноэлектронных структурах для целей проектирования и прогнозирования
страница	1/4
Дата	28.12.2012
Размер	0.5 Mb.
Тип	Автореферат

1 2 3 4

На правах рукописи

ЗЕБРЕВ ГЕННАДИЙ ИВАНОВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ ДОЗОВЫХ И ОДИНОЧНЫХ РАДИАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ В КРЕМНИЕВЫХ МИКРО-

И НАНОЭЛЕКТРОННЫХ СТРУКТУРАХ ДЛЯ ЦЕЛЕЙ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ

05.27.01 Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Автор:

Москва – 2009 г.

Работа выполнена в Московском инженерно-физическом институте

(Национальном исследовательском ядерном университете)

Официальные оппоненты: д. т.н., профессор, акад. Орликовский А.А.

д. т. н., профессор, Петросянц К.О.

д. ф.м. н., Зинченко В.Ф.

Ведущая организация ФГУП НИИ КП

Защита состоится 23 ноября 2009 г. в ….. на заседании диссертационного совета Д212.130.02 при Московском инженерно-физическом институте (Национальном исследовательском ядерном университете) по адресу 115409, г. Москва, Каширское шоссе, д. 31.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ.

Автореферат разослан «___»________2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук,

профессор Скоробогатов П. К.

Актуальность диссертации

Современная микроэлектроника является наиболее быстроразвивающейся отраслью промышленности и лежит в основе информационных технологий, автоматизации и средств управления, космических и оборонных систем. Разработка перспективных приборов наноэлектроники (понимаемой здесь как микроэлектроника с проектными нормами менее 100 нм) и обеспечение надежного функционирования уже существующих микроэлектронных компонентов и интегральных микросхем (ИМС) является необходимым элементом инновационного развития и обеспечения стратегической безопасности государства. Основу современной микроэлектронной индустрии составляет кремниевые КМОП технологии, доминирующие в цифровой технике и биполярные технология, остающиеся основными в аналоговых схемах. Широкое использование этих технологий в промышленности (атомные электростанции), космических и военных системах, работающих в условиях внешних ионизирующих излучений (ИИ), делает актуальными задачи моделирования деградации их характеристик и нарушений работоспособности под воздействием постоянного и импульсного ИИ, а также отдельных частиц высокоэнергетического космического излучения.

Можно выделить несколько фундаментальных задач радиационной стойкости, характерных для компонентов и интегральных схем современной микроэлектроники:

радиационно-индуцированные токи утечки в приборах КМОП технологий;
эффекты усиления деградации при низкоинтенсивном облучении в приборах биполярной технологии;
одиночные радиационные эффекты обратимого и необратимого характера, связанные с воздействием высокоэнергетических частиц космического пространства;
эффекты радиационно-индуцированной защелки (паразитного тиристорного эффекта), являющиеся одной из главных проблем обеспечения стойкости современных КМОП технологий.

Моделированию этих эффектов посвящен основной материал предлагаемой диссертации. В силу сложности объекта моделирование должно носить многоуровневый характер и базироваться, по крайней мере, на физическом и схемотехническом уровне описания. Физический уровень моделирования описывает процессы деградации в материалах, структурах и приборах, поставляя выходные данные, которые могут использоваться как входные параметры для схемотехнического моделирования, в т.ч. с использованием стандартных систем автоматического проектирования.

Моделирование радиационных эффектов в интегральных микросхемах неотделимо от развития методов физического моделирования работы приборов и от всестороннего и комплексного исследования процессов деградации с целью развития методов предсказания радиационной стойкости и проектирования перспективных радиационно-стойких микроэлектронных компонентов и, с практической точки зрения, является одной из самых актуальных задач современных нанотехнологий.

Связь диссертации с крупными научными программами

В последние годы работа проводилась в Московском инженерно-физическом институте (Национальном исследовательском ядерном университете) в рамках следующих государственных отраслевых и научно-исследовательских работ:

1) программы Международного научно-технического центра (проекты 1003 и 0451);

2) федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения» в рамках подпрограммы «Перспективная элементная база микроэлектроники».

3) создание испытательного стенда на базе ускорителя ИТЭФ для испытаний микроэлектронных компонентов на воздействие одиночных частиц (протонов и тяжелых заряженных частиц), проводимых под эгидой Роскосмоса.

4) Разработка радиационно-стойких ИМС по технологии «кремний-на-изоляторе» с проектной нормой 0.5 и 0.35 мкм, проводимых в НИИСИ РАН в рамках отраслевой НИР «Аналитика».

5) Создание методики парирования аномальной работы передатчиков бортовой аппаратуры служебного канала управления спутника связи ЯМАЛ-100.

Цель диссертации заключается в разработке методов физического и схемотехнического моделирования работы приборов и устройств современных КМОП и биполярных технологий для описания поведения их характеристик в условиях воздействия ИИ разной мощности дозы для различных температур и электрических режимов, с последующим использованием результатов моделирования для разработки методик прогнозирования их радиационной стойкости и проектирования перспективной радиационно-стойкой элементной базы.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

Развитие предложенной автором усовершенствованной физической модели МОП транзистора на случай КНИ технологий с полностью и частично обедненным телом, с двойным затвором, а также на случай баллистического переноса носителей в канале, характерного для перспективных наноэлектронных технологий.
Моделирование процессов радиационно-индуцированного накопления и релаксации захваченного заряда в подзатворных окислах и толстых слоях боковой и донной изоляции STI и LOCOS типа современных МОП транзисторов КНИ и объемных технологий и его релаксации в ходе облучения и отжига как функции дозы, мощности дозы, температуры и электрического режима.
Разработка физических и схемотехнических методов расчета радиационно-индуцированных краевых и донных токов утечки, обусловленных захваченным зарядом в толстых слоях краевой изоляции, которые являются основным механизмом деградации в современных МОП транзисторах с ультратонкими подзатворными окислами (2…10 нм).
Развитие физической количественной модели аномального эффекта низкой интенсивности (т.н. Enhanced Low Dose Rate Sensitivity, ELDRS) в толстых полевых окислах (главным образом, приборов биполярной технологии) и метода прогнозирования этого эффекта.
Развитие методов физических и схемотехнических расчетов одиночных радиационных эффектов (ОРЭ), вызванных воздействием отдельных частиц (протонов, нейтронов, тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ)) и приводящих к обратимым сбоям (переключениям ячейки памяти) и необратимым отказам типа защелки (т.е. паразитному тиристорному эффекту, вызванному отдельной ионизирующей частицей).
Разработка методов и программы расчета интенсивности сбоев в цифровых элементах памяти под воздействием космического излучения (протоны, ТЗЧ) с учетом спектра космических частиц и параметров чувствительности ИМС, полученных в ходе наземных испытаний.

Научная новизна диссертации заключается в многоуровневом подходе к моделированию радиационных эффектов в элементах и ИМС, начиная от физического моделирования процессов материалах, приборах и приборных структурах с передачей информации для моделирования схемных эффектов на схемотехническом уровне. При этом были получены следующие новые научные результаты:

Предложенная ранее диффузионно-дрейфовая компактная модель МОП транзистора, основанная на явном решении уравнения непрерывности тока в канале и способная непрерывным образом описывать в аналитической форме вольтамперные характеристики (ВАХ) транзисторов во всех режимах работы, обобщена для современных приборов современных технологий «кремний-на-изоляторе» (КНИ) с полным и частичным обеднением, а также перспективных приборов объемной интеграции (транзисторы с двойным затвором). Модель позволяет описывать переход от случая диффузного переноса к случаю баллистического (бесстолкновительного) переноса, специфического для транзисторов с наноразмерными длинами каналов.
Разработана количественная модель радиационно-индуцированных краевых токов утечки из-за накопления зарядов в толстых слоях боковой изоляции STI типа, являющихся основным дозовым эффектом деградации в современных ИМС высокой степени интеграции. Впервые показано, что ограничение накопления заряда и токов утечки с увеличением толщины окисла осуществляется за счет зарядовой нейтрализации дефектов радиационно-индуцированными электронами, известный как RICN эффект. Предложена основанная на физической модели процедура экстракции SPICE параметров паразитных транзисторов эквивалентной схемы для автоматизированного расчета токов утечки с помощью современных САПР.
Впервые разработана аналитическая количественная модель известного эффекта усиления деградации при низкой интенсивности. Показано, что этот эффект определяется не конкретными механизмами деградации приборов (которые могут быть разными для разных технологий), а эффективностью выхода (разделения) радиационно-индуцированного заряда в толстых слоях изоляции. Наличие или отсутствие таких эффектов определяется температурой, толщиной слоя изоляции и величиной электрического поля в окисле вне зависимости от технологии.
Исследованы стохастические эффекты энерговыделения, накопления зарядов в окисле, а также сбоев связанные с неоднородным характером ионизации от воздействия отдельных частиц (протонов и тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ) космического излучения, а также вторичных атмосферных нейтронов).
Разработаны методы схемотехнического расчета параметров чувствительности статических ячеек памяти КМОП технологии при воздействии отдельных ТЗЧ и импульсного облучения.
Разработаны общие физико-математические подходы к расчету скорости сбоев от отдельных ионизирующих частиц для заданных спектров излучений космического пространства.
Исследованы схемотехнические методы моделирования радиационно-индуцированной защелки от воздействия отдельной частицы космического пространства. Предложен количественный подход к моделированию окон защелки при воздействии импульсного ионизирующего излучения.

Практическая значимость диссертации заключается в следующем:

Физическая модель радиационно-индуцированных краевых и донных токов утечки МОП транзисторов объемной и КНИ технологии, позволяет проводить детальные расчеты токов утечки, что позволило использовать модель в процессе оптимизации технологических параметров при проектировании радиационно-стойких элементов ИМС. Предложенная процедура определения SPICE параметров эквивалентных паразитных транзисторов позволяет передавать рассчитанные по физической модели константы для использования в стандартных системах схемотехнического проектирования типа SPECTRE CADENCE®.
Разработанная физическая модель аномального эффекта низкой интенсивности (ELDRS) в приборах биполярной технологии дает возможность установления количественной эквивалентности между длительным низкоинтенсивным облучением и кратковременного облучения с высокой мощностью дозы в условиях повышенной температуры. Это открывает перспективы создания методики прогнозирования поведения параметров биполярных ИМС в условиях длительного низкоинтенсивного облучения космического пространства, основываясь на результатах лабораторных испытаний, что является одной из важнейших задач обеспечения радиационной стойкости и длительного срока активного существования микроэлектронных систем бортовой аппаратуры космических аппаратов.
Установленные механизмы и разработанные модели деградации позволяют сформулировать практические рекомендации для проведения ускоренных испытаний с целью адекватного прогнозирования долговременной радиационной стойкости и надежности элементов биполярных и КМОП технологий.
Разработанные методы расчета интенсивности одиночных сбоев, методики испытаний и обработки экспериментальных данных, а также соответствующие компьютерные программы, легли в основу программного комплекса ОСОТ, который предполагается основным расчетным средством для создаваемого под эгидой НИИКП и Роскосмоса испытательного центра на базе ускорителя ИТЭФ РАН для проведения испытаний изделий полупроводниковой электроники (ИПЭ) на воздействие одиночных протонов и ТЗЧ.

На защиту выносятся следующие положения:

Развитие разработанной автором ранее диффузионно-дрейфовой физической модели МОП транзисторов на случай современных КНИ технологий полностью и частично обедненного типа, баллистического переноса и перспективных конфигураций объемной интеграции типа транзистора с двойным затвором.
Модель накопления и релаксации (отжига) радиационно-индуцированного заряда в толстых окислах боковой изоляции типа STI и дозовых зависимостей краевых и донных токов утечки.
Метод определения параметров SPICE параметров паразитных эквивалентных транзисторов для расчета радиационно-индуцированных токов утечки на схемном уровне с помощью схемотехнических САПР.
Количественная модель аномального эффекта низкой интенсивности в биполярных приборах. Вывод о том, этот эффект определяются не конкретными механизмами деградации приборов (которые могут быть разными для разных технологий), а эффективностью выхода (разделения) радиационно-индуцированного заряда в толстых слоях изоляции.
Модель совместного учета эффектов усиления выхода радиационного заряда и туннельного отжига захваченного заряда при снижении интенсивности ИИ, которая позволила объяснить слабовыраженный характер, либо отсутствие зависимости от мощности дозы токов утечки.
Метод расчета интенсивности сбоев в элементах памяти изделий полупроводниковой электроники, от космического пространства с учетом ЛПЭ спектров космических ТЗЧ солнечного и галактического происхождения для различных орбит и защит космических аппаратов.
Метод схемотехнического моделирования радиационно-индуцированной защелки в КМОП микросхемах при воздействии одиночных тяжелых ионов или импульсного излучения, позволяющий описать эффект «окон» защелки при импульсном облучении как следствие просадки локального напряжения на шинах питания.

Апробация результатов. Основные результаты диссертации докладывались на ежегодных Научных сессиях МИФИ (1999-2008); ежегодных всероссийских конференциях "Радиационная стойкость" (Лыткарино); Всероссийской конференции «Многомасштабное моделирование процессов и структур в нанотехнологиях» (ММПСН-2008); Международных конференциях в Молдове (1997, 2002), Румынии (1998); Международной конференции "International Conference on Micro- and Nanoelectronics" (ICMNE, 2001-2002, 2005, 2007), среди них 2 устных доклада; Европейской конференции по микроэлектронике MIEL (2000, 2002, 2004, 2006, 2008) (1 устный доклад); ежегодных американских конференциях IEEE NSREC (1996, 2000-2002); ежегодных Европейских конференциях RADECS (1995, 1999, 2001-2003, 2005, 2006, 2008, 2009).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 статей в российских научно-технических журналах, сертифицированных ВАК; 6 статей в международных журналах; 19 статей в рецензируемых научно-технических сборниках трудов международных конференций (Proceedings SPIE, MIEL, RADECS); ~ 20 тезисов докладов в сборниках российских научных конференций; главы в двух книгах (в т.ч. международного издательства); одна монография.

Личный вклад соискателя. Все теоретические результаты, модели, методы расчетов и интерпретации экспериментальных данных, приведенные в диссертации, получены и предложены лично соискателем. Компьютерные коды и расчеты разрабатывались и выполнялись совместно с учениками и аспирантами соискателя. Экспериментальные результаты, приведенные в диссертации, выполнены специалистами в сотрудничестве с НИИ приборов, СПЭЛС, НИИ системных исследований РАН, НИИ космического приборостроения, ИТЭФ. Вклад соавторов связан, главным образом, с обсуждением результатов и выполнением экспериментов.

Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 155 страниц. Диссертация содержит 72 рисунка. Список литературы содержит 179 наименований.

Диссертация организована следующим образом. В главе 1 описаны предложенные ранее автором модели работы МОП транзисторов, развитые для случая приборов КНИ технологий и перспективных наноэлектронных конфигураций. Глава 2 посвящена описанию моделей радиационно-индуцированных токов утечки в боковых слоях изоляции транзисторов современных технологий. В главе 3 описывается количественная модель усиления деградации при низкой интенсивности ИИ. Глава 4 посвящена схемотехническому моделированию параметров чувствительности КМОП ячеек памяти к воздействию отдельных частиц космического пространства. В главе 5 приведено описание метода и программы расчета интенсивности сбоев от отдельных частиц космического пространства. В главе 6 описаны модели влияния нейтронов на сбои в микроэлектронных компонентах. Наконец, в главе 7 представлен схемотехнический подход для моделирования защелки в КМОП структурах при воздействии отдельных частиц и импульсного излучения.