CC BY
32КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ BRIEF REPORTS
УДК 004.942: 621.3.049.772.1/.774.2
Повышение пробивного напряжения n-МОП-транзисторов для радиационно стойких КНС КМОП БИС
А.В. Соловьев1'2, Т.Ю. Крупкина1, А.А. Романов2
1 Национальный исследовательский университет «МИЭТ» 2ОАО «Ангстрем» (г. Москва)
Increasing Breakdown Voltage of N-MOS Transistors for Radiation-Resistant CMOS LSI
A.V. Solovev1'2, T.U. Krupkina1, A.A. Romanov2
1National Research University of Electronic Technology, Moscow 2JSC «Angstrem», Moscow
Для повышения рабочего диапазона функционирования КМОП БИС, выполненных по радиационно стойкой технологии КНС, требуется повышение пробивных напряжений n-канальных МОП-транзисторов. Представлены результаты модернизации конструкции и технологического маршрута формирования n-МОП-транзисторов с улучшенным пробивным напряжением, полученные средствами приборно-технологического моделирования TCAD Synopsys.
Ключевые слова: кремний на изоляторе; кремний на сапфире; LDD-области; пробивное напряжение; приборно-технологическое моделирование; TCAD Synopsys.
To increase the functioning operating range of CMOS LSI, designed according to the radiation-resistant technology SOS, an increase of the breakdown voltages pf the N-channel MOS transistors is required. The results of the construction modernization and that one of the technological route of formation of N-MOS transistors with an improved breakdown voltage, obtained by means of the device-technological modeling TCAD Synopsys, have been presented.
Keywords: silicon-on-insulator (SOI); silicon on sapphire (SOS); LDD (Lightly Doped Drain); the breakdown voltage; device-technological modeling; TCAD Synopsys.
Наиболее распространенной конструкцией МОП-транзистора в полупроводниковой промышленности является структура LDD. Ее особенность - наличие мелких слаболегированных областей, удлиняющих области истока и стока в сторону канала. Концентрацию легирующей примеси в этих областях (фосфор и бор) и режим ее разгонки выбирают таким образом, чтобы получить плавный p-n-переход. Обычно концентрация примеси составляет 41018-81018 см3,
I 2 ^ 20 з
в то время как в n -областях - 5-10-1 10 см . Полученное таким способом снижение значения напряженности электрического поля в канале на границе со стоком уменьшает энергию горячих электронов, вызывающих долговременную деградацию параметров транзистора. Слаболегированные LDD-области также повышают напряжение прокола, инжек-ционного и лавинного пробоя транзистора, уменьшают DIBL -эффект и эффект модуляции длины канала [1].
© А.В. Соловьев, Т.Ю. Крупкина, А.А. Романов, 2016
В настоящей работе средствами приборно-технологического моделирования TCAD Synop-sys исследованы «-канальные МОП-транзисторы с LDD-областями на КНС-пленке 0,3 мкм с длиной по поликремнию 0,8 мкм. Одна из основных проблем данной технологии - низкое пробивное напряжение транзисторов с фиксированной и плавающей подложками.
В МОП-транзисторах в ходе проведения испытаний при повышенном рабочем напряжении происходит отказ схемы, связанный с «-канальными транзисторами, ввиду недостаточных запасов по пробивному напряжению. Для данного типа транзисторных структур необходима модернизация LDD-областей для подавления горячих носителей и повышения пробивного напряжения. В результате модернизации технологического маршрута изготовления «-канального МОП-транзистора необходимо получить пробивное напряжение по уровню тока 1мкА от 10 В и более, при этом ток транзистора в открытом состоянии должен быть больше или равен исходному значению 16 мА для ширины транзистора 100 мкм.
Ранее считалось, что низкое напряжение пробоя ^-«-перехода связано с недостаточной эффективностью LDD-областей, которые не охватывают сток-истоковые области, что приводит к пробою ^-«-перехода между высоколегированными « -областями и пленкой [2]. Однако результаты выборочного контроля показали, что дополнительное легирование по маске поликремниевого затвора с высокой энергией не дает требуемого пробивного напряжения 10 В и более. Снижение концентрации примеси в LDD-области около поверхности приводит к падению тока открытого состояния транзистора.
В предлагаемом варианте модернизации LDD-областей область пробоя ^-«-перехода смещена от приповерхностной области, где происходит снижение концентрации бора в результате термической разгонки примеси и ухода ее в глубину кремниевой пленки [3].
Модернизация технологического маршрута проводится на этапе создания LDD-областей и состоит в увеличении угла легирования и энергии имплантации примеси с четырехкратным поворотом пластины на 90° для исключения влияния ориентации пленки КНС. Такой вариант приведет к уменьшению эффективной длины и увеличению токов открытого транзистора. Увеличение подачи примеси под маску поликремния снижает полевое влияние затвора, что приводит к повышению пробивного напряжения транзистора.
На рис. 1 представлено распределение электрического поля при напряжении на стоке 9,5 В, которое является пробивным для транзисторов со стандартным вариантом легирования LDD-областей. На рис.2 представлены подпороговые ВАХ транзисторов, выполненных по стандартной технологии и новому варианту легирования в LDD-область. Пробивное напряжение измеряется по уровню тока 1мкА.
Рис.1. Распределение электрического поля при напряжении 9,5 В для стандартного (а) и модернизованного (в) варианта легирования в LDD-область и распределение электрического поля в кремнии вдоль затвора для двух вариантов соответственно (б, г)
1 ■ 1
« 1 1 /; -----------1------ 7 1 1 I 1 2 1 / 1 / 1
J» 1 ' 1 1 1 1 1 1
Рис.2. Подпороговые ВАХ транзисторов, выполненных по стандартной технологии (кривая 1) и новому варианту легирования (кривая 2) в ЬББ-область
Результаты моделирования показывают, что пробивное напряжение с новым вариантом легирования составляет —11,6 В. Это примерно на 2 В больше, чем в стандартном маршруте. Электрическое поле меньше и распределено в сторону от края затвора. Максимум электрического поля находится далеко от области металлургического р-п-перехода.
Увеличение протяженности ЬББ-области приводит к уменьшению токов открытого состояния за счет роста последовательного сопротивления между контактом и областью канала. Предлагается уменьшить размер пристенков, чтобы уменьшить длину слаболегированных областей и снизить последовательное сопротивление между контактом и областью канала.
В результате проведенных исследований предложена модернизация технологического маршрута п-МОП-транзисторов со структурой КНС, изготовленных в составе радиационно стойких КМОП БИС с целью повышения пробивного напряжения. Увеличение угла легирования и энергии имплантации примеси приводит к увеличению пробивного напряжения в среднем на 2 В, при этом ток открытого транзистора после модернизации больше тока в стандартном варианте маршрута.
Литература
1. Красников Г.Я. Конструктивно-технологические особенности субмикронных МОП-транзисторов. - 2-е изд., испр. - М.: Техносфера, 2011. - 800 с.
2. Соловьев А.В. Модернизация технологического маршрута производства КМОП КНС БИС с целью повышения пробивного напряжения транзисторов // Потенциал современной науки. - 2015. - №9. - С. 20-21.
3. Афонин Н.Н., Александров О.В. Влияние окислительных сред на диффузионно-сегрегационное перераспределение бора в системе термический диоксид кремния - кремний // ЖТФ. - 2003. - Т. 73. - № 5. - С. 57-63.
Поступило 1 июня 2016 г.
Соловьев Андрей Владимирович - аспирант кафедры интегральной электроники и микросистем (ИЭМС) МИЭТ, инженер ОАО «Ангстрем» (г. Москва). Область научных интересов: моделирование технологических процессов. E-mail: [email protected]
Крупкина Татьяна Юрьевна - доктор технических наук, профессор кафедры ИЭМС МИЭТ. Область научных интересов: моделирование технологических процессов и интегральных приборов, методы проектирования интегральной элементной базы и микросистем.
Романов Александр Аркадьевич - начальник отделения инновационных технологий ОАО «Ангстрем» (г. Москва). Область научных интересов: разработка и внедрение в производство технологии изготовления изделий электронной техники.
