Исследование эффекта защелкивания в комплементарных металл окисел полупроводник интегральных микросхемах при широком диапазоне температур Текст научной статьи по специальности «Физика»

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН ___________________________________2010, том 53, №10_______________________________

ТЕПЛОФИЗИКА

УДК 621.315.592

С.М.Гадоев

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТА ЗАЩЕЛКИВАНИЯ В КОМПЛЕМЕНТАРНЫХ МЕТАЛЛ - ОКИСЕЛ - ПОЛУПРОВОДНИК ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМАХ ПРИ ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ ТЕМПЕРАТУР

Таджикский национальный университет

(Представлено членом-корреспондентом АН Республики Таджикистан Ф.Х.Хакимовым 27.08.2010 г.)

В работе сформулированы требования к модели защелкивания в комплементарных металл -окисел - полупроводник интегральных микросхемах (кмдп) различных технологий, пригодных для использования в широком диапазоне температур. Показана возможность использования двухтранзисторной эквивалентной схемы в качестве модели для адекватного описания изменения параметров защелкивания в широком диапазоне и для различных технологий и способов возбуждения.

Ключевые слова: микросхема - подложка - эффект - структура - ток удержания.

Одним из основных паразитных эффектов в комплементарных метал - окисел - полупроводник интегральных микросхемах является срабатывание четырехслойных структур, происходящее под действием электрического перенапряжения или ионизации [1].

Уип

Рис.1. КМОП ИС: эквивалентная схема паразитных четырехслойных структур.

Адрес для корреспонденции: Гадоев Сабзаали Мухшулович. 734025, Республика Таджикистан, Душанбе, пр. Рудаки, 17, Таджикский национальный университет. E-mail: gadoev_59@mail.ru

Существенное влияние температуры на этот эффект требует разработки модели защелкивания, адекватной при высоких температурах. В качестве основы для разработки модели электрического уровня взята двухтранзисторная эквивалентная схема [2,3], изображенная на рис. 1. Она представляет собой два паразитных транзистора: п-р-п и р-п-р и их шунтирующие сопротивления, эмиттер-

базу, Rs, Rw.

Анализ модели показывает, что существенное влияние на параметры защелкивания оказывают такие характеристики физического уровня описания, как время жизни неравновесных носителей -т, коэффициент диффузии - D, ширина обедненного слоя р-п перехода Wt, которые в свою очередь определяют температурные характеристики таких электрических параметров, как напряжение отпирания р-п перехода иотп, коэффициент передачи тока базы транзистора Дт, сопротивления областей полупроводника, ионизационный ток 1фк, если защелкивание имеет ионизационную природу. С целью определения температурных зависимостей перечисленных параметров была проведена серия теоретических и экспериментальных исследований на тестовых КМОП структурах. На рис. 2. приведен график экспериментальной и расчетной зависимостей времени жизни носителей «карман-подложка» тестовой схемы серии КИТ-1. Время действительно растет с ростом температуры, как это следует из теории [4]:

т ,

где mn - эффективная масса электрона в кристалле полупроводника (для Si mи=l■6+l■8)■

-

-73# ТЛ"

Рис. 2. График экспериментальной зависимости времени жизни носителей от температуры в переходе «карман -

подложка» тестовой схемы (--эксп., —расчет).

При этом время жизни в диапазоне температур 210 -^400 К изменяется по закону т~Т, однако при более высоких температурах 360К^420 К, как т~Т1/4 ■

Увеличение времени жизни носителей с ростом температуры можно объяснить тем, что в полупроводнике п-типа с ростом температуры фононы все более и более ионизируют ловушки, срывая с них электроны. Показатель степени эксперимента от теории, как видно из рис. 2, в диапазоне 210^400 К отличается в пределах от 0^6 до Ь6 и в переходе «карман-подложка» тестовой схемы.

Для определения температурной зависимости таких параметров электрического уровня, как Ат, 1фк, R, необходимо также знать поведение диффузионной длины, зависящей от времени жизни и коэффициента диффузии (подвижности) [5]:

Ь = у[& = -^фт¡г(Т)т(Т) :

3/2

-аТ

1/4

ч

(1)

где о=6-10"3 мкс/град (постоянный коэффициент); ио=12х10"8 Гн/см"\

Это выражение справедливо в интервале температуры 290^450 К. Учитывая, что коэффициент передачи тока базы зависит от коэффициента переноса носителей х и коэффициента инжекции эмиттерного перехода у следующим образом:

Дст =

X,

1 - X,

(2)

где

X = ■

еН^в / Ь

получим температурные зависимости Дст на двух участках температур:

Дст =

(1 + ЬТ1/4) еИ

аТ

1/4

-1

(3)

где

а =

\к МоТо

3/2

а ; Ь =

ч

б

\киЛ

3/2

а

ч

Из рис. 3 видно, что коэффициент передачи тока базы транзистора растет в диапазоне температур 210-400 К от 10 до 57. Измерение проводилось в тестовой схеме в статистическом режиме.

Рис. 3. График экспериментальной зависимости коэффициента передачи тока базы транзистора от температуры в тестовой схеме:

200 К = 12.5; 300 К = 35; 400 К = 58.

1

і

Іф,нЦ

1.5-

1

____К19В

А ¡в

■і

к

_і____________ Ам.--------. ■ ^.1------------>,

203 260 320 ш та

Рис. 4. График зависимости первичного фототока от температуры р-п перехода «карман-подложка»

(тестовая схема).

Аналогично должен вести себя и ионизационный ток, определяемый диффузионной длиной, что подтверждает график на рис. 4, измеренный для перехода «карман-подложка» тестовой структуры. На температурную зависимость напряжения отпирания р-п перехода наиболее сильно влияет изменение теплового тока 10 в соответствии с выражением:

где 11 - начальный ток на ВАХ, соответствующий иотп. На рис. 5 приведена зависимость напряжения отпирания р-п перехода «карман-подложка» от температуры тестовой схемы при двух значениях тока (0Л и 0^3 мА). Напряжение отпирания заметно падает с ростом температуры. Температурное изменение ширины обедненного слоя р-п перехода определяется в основном изменением контактной разности потенциала иобщ [6]:

и„п = Ф Іп(1 +1-),

1 о

(4)

(5)

где д - элементарный заряд (1.6-10-19 кл); N - концентрации примеси (1015 см-3); е0 - диэлектрическая проницаемость вакуума (8^8-10-14 ф-см-1)

Рис.5. Зависимости напряжения отпирания от температур для перехода тестовой схемы

(— эксперимент,_____расчет)

С целью экспериментальной проверки адекватности разработанной модели была проведена серия экспериментов по измерениям температурной зависимости тока и напряжения удержания ИС К176ЛПІ и К564ПУ4 (рис. 6).

Для всех этих ИС наблюдаемое уменьшение при росте температуры удерживающего тока при ДТ=400 К составило 40%. Для теоретического анализа 1уд и иуд используются из следующих выражений:

I = ^ ) p пр , (Уве) пр п

К

где

К =

_ VDD- (Урр (Ув) p np ) ШІП

(6)

‘-КБ

W l

R = ш-Г + ~^г •

-'V , 'ш 1 + , 'ш2 •

e е

где £ е, £ ш - характерные размеры структур; 'ш1, 'ш2 " поверхностное сопротивление кармана;

и л = и

уд э от тт

В1В2 () + В2 ()

В В2 -1

(7)

Расчеты по модели верно предсказывают характер температурного изменения параметров защелкивания паразитных структур КМОП ИС. Структурная схема эксперимента представлена на рис. 7. Исследуемая ИС размещена в контактирующем устройстве, обеспечивающем контакт данной стороны корпуса ИС с нагревательным элементом (в диапазоне 210^400К), который позволяет прово-

дить облучение с поверхностной стороны кристалла. Контроль температуры осуществляется на поверхности нагревательного элемента посредством термопары.

Рис.6. График зависимости 1уд и иуд от температуры для ИС К176ЛП1 и К564ПУ4.

Рис.7. Схема экспериментального стенда:

1 - ИС; 2 - осциллограф; 3 - лазер; 4 - источник питания; 5 - нагревательный элемент;

6 - микровольтметр; 7 - термостат; 8 - термопара.

Таким образом, с помощью разработанной модели можно достаточно адекватно прогнозировать температурные зависимости параметров защелкивания паразитных комплементарных металл -окисел - полупроводник (КМДП) структур, что позволяет рекомендовать их для использования в составе систем автоматизации проектирования комплементарных металл - окисел - полупровдник интегральных микросхем (САПР КМДП ИС). Упрощенный вариант модели, учитывающий только изменение напряжения отпиранияр-п переходов, может быть использован для оценочных расчетов.

Поступило 27.08.2010 г.

ЛИТЕРАТУРА

1. Dressendorfer P.V., Ochoa Jr - IEEE Transactions on nuclear science, 1981, v. Ns-28, №6, pp. 42924294.

2. Baze M.P., Johnston A.H. - IEEE Transactions on nuclear science, 1981, v. Ns-34, №6, pp. 1730-1735.

3. Troutman R.R. Latch-up in CMOS Technology. The problem and it’s cure. Boston, 1986, pp. 47-48.

4. Федотов Я.А. Кремниевые планарные транзисторы. - М.: Советское радио, 1973, с. 335.

5. Федотов Я.А. Основы физики полупроводниковых приборов. - М.: Советское радио, 1970, с. 591.

6. Тилл У., Лаксон Дж. Интегральные схемы. - М.: Мир, 1985, с. 504.

7. ing -Jer Chen, Chins-Yuan Mv. Solid-State Electronics, v. 29, N4, pp. 395-407.

С.М.Гадоев

ТАХ,КИКИ ЭФФЕКТИ КУЛШАВИЯ ДАР МИКРОСХЕМАМИ ИНТЕГРАЛИИ КОМПЛЕМЕНТАРИИ МЕТАЛЛ-ОКСИД-НИМНОЦИЛ ДАР ФОСИЛАИ ВАСЕИ ^АРОРАТ^О

Донишго^и миллии Тоцикистон

Дар кор талаботхо нисбат ба моделй кулфшавй дар миксросхемахои интегралии комплементарии металл-оксид-нимнокили технологиями гуногун, ки дар фосилаи васеи х,ароратх,о кобили истифода мебошанд, ба шакли муайян дароварда шудаанд. Имконияти истифодаи схе-маи эквивалентии ьутранзистора ба сифати модел барои таснифи мувофики тагйирёбии параметрхои кулшавй дар фосилаи васеъ ва барои технологиями гуногун ва тарзхои ангезиш нишон дода шудаанд.

Калима^ои калиди: микросхема - цилд - эффект - сохтор - царпёни нигоудори.

S.M.Gadoev

THE EFFECT OF LATCH-UP IN INTEGRATED MICROCIRCUITS IN WIDE RANGE OF TEMPERATURES

Tajik National University Calculations on model predict character of temperature change of parameters of effect latch-up complimentary threw-oxide-semiconductor (cmos is). By means of this model it is possible to predict adequately enough temperature dependences of parameters of effect in structure complementary threw-oxide-semiconductors (cmos is). Structures that allows to recommend them for research in structure of SAPR complimentary threw-oxide-themiconductor (cmos is).

Key words: structure - olding carrent - the effect - CVR - microchip.