ТРЕХМЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАДИАЦИОННЫХ ТОКОВ УТЕЧКИ В СУБМИКРОННЫХ МОП-ТРАНЗИСТОРАХ СО СТРУКТУРОЙ КРЕМНИЙ−НА−ИЗОЛЯТОРЕ

Петросянц Константин Орестович; Орехов Евгений Вадимович; Самбурский Лев Михайлович; Харитонов Игорь Анатольевич; Ятманов Александр Павлович

УДК 621.382.32

Трехмерное моделирование радиационных токов утечки в субмикронных МОП-транзисторах со структурой кремний-на-изоляторе

К.О.Петросянц, Е.В.Орехов, Л.М.Самбурский, И.А.Харитонов,

Московский государственный институт электроники и математики (технический университет)

А.П.Ятманов НИИ измерительных систем (г. Нижний Новгород)

При моделировании случайных сбоев [1], эффектов узкого канала [2], токов утечки по боковым изолирующим граням [3], а также при исследовании влияния топологии транзистора на радиационную стойкость [4] необходимо использовать трехмерное моделирование, так как двумерное моделирование принципиально не может учесть вышеперечисленные эффекты. В настоящей работе представлены результаты трехмерного моделирования радиационных токов утечки в субмикронном «-канальном МОП-транзисторе со структурой КНИ.

При моделировании влияния поглощенной дозы на КНИ МОП-транзисторы необходимо учитывать следующие эффекты: сдвиг порогового напряжения, деградацию подвижности носителей, рост токов утечки, особенно по боковым и нижним граням транзисторной структуры КНИ. Существующая радиационная модель в системе Sentaurus TCAD [5] учитывает зависимость сдвига порогового напряжения за счет накопления дырочного заряда и не учитывает ряд других важных эффектов.

Для более точного моделирования эффектов поглощенной дозы в модель дополнительно введены две зависимости:

1) подвижность носителей заряда от накопленной дозы D:

УФ) = . (1)

1 + aNit (D)

где ц0 - подвижность носителей необлученного транзистора; Nit(D) - плотность поверхностных состояний на границе кремний-диоксид кремния, равная

Nit (D) = aaDbit. (2)

Здесь a, ait и bit - подгоночные параметры;

2) заряд поверхностных состояний на границе кремний-диоксид кремния от дозы:

Qu (D) = qNlt (D), (3)

где q - заряд электрона.

Выражения (1)-(3) включены в модели электрофизических величин TCAD с помощью интерфейса физических моделей (PMI).

Рассчитывалась трехмерная структура частично обедненного «-канального МОП-транзистора с размерами затвора W/L = 1,5/0,35 мкм, толщиной скрытого диэлектрика 150 нм, активного слоя кремния 200 нм и подзатворного диэлектрика 11,5 нм (рис.1,а).

На рис.1,б представлены рассчитанные для различных доз D сток-затворные ВАХ трехмерной транзисторной структуры. Для сравнения также приведены результаты расчета для двумерной (в плоскости XY) структуры КНИ МОП-транзистора. Видна очень большая разница (достигающая 6 порядков величины при дозе 150 крад и 5 порядков при дозе 300 крад) в значениях токов утечек в выключенном состоянии (иЗИ = 0 В) для двумерного и трехмерного случаев.

Сечение А-А

0,3 0,2

z

Область утечки по боковым граням

0 4 мкм

1 ■ 10 1 ■ 10"' 1 ■ 10"8 1 ■ 10-10 1 ■ 10-12 1 ■10-14

.4 Ic, A 300 крад

от 0 до 150

иСИ = 0,05 В

0

0,5

1 ■ 10'

,-5

1 ■ 10'

,-6

1 ■ 10-

IyT, A

изи,В б

100

I' I

150

200 Доза, крад в

I

250

300

Рис.1. Структура и-канального КНИ МОП-транзистора и его поперечное сечение (а); сток-затворные ВАХ, рассчитанные по 3Б- (сплошные линии) и 2Б-моделям (пунктир) для различных поглощенных доз (б); токи утечки при иЗИ = 0, рассчитанные по 3Б ТСЛБ-модели (сплошная линия) и экспериментальные данные ( % по [6]; ■ по [7] (в)

1

а

Анализ показал, что эта разница обусловлена наличием токов утечки (7ут) по боковой окисной изоляции структуры МОП-транзистора (сечение А-А на рис.1,а). Эти токи принципиально не могут быть учтены в двумерной модели. Результаты 3Б-моделирования на рис.1,б,в по порядку величины хорошо согласуются с экспериментальными данными работ [6, 7].

Среднее время моделирования одной ветви сток-затворной ВАХ для трехмерной структуры, состоящей из 165000 элементов разностной сетки (рис.1,а), составило 14 часов на ПЭВМ с четырехъядерным процессором AMD Opteron с частотой 2,4 ГГц и оперативной памятью 16 Гбайт. Моделирование одной ветви ВАХ двумерной структуры с разностной сеткой из 5400 элементов заняло в 20 раз меньше времени.

Таким образом, на примере 0,35-мкм МОП-транзистора со структурой КНИ показано, что использование трехмерных приборно-технологических моделей позволяет преодолеть принципиальные ограничения традиционных двумерных моделей и корректно исследовать радиационные токи утечки, а также другие эффекты, свойственные современным КМОП-структурам со сверхмалыми размерами. Достаточно большие временные затраты на решение трехмерных задач не являются непреодолимым препятствием, так как быстродействие компьютеров неуклонно повышается. Кроме того, в качестве альтернативы трехмерному моделированию с целью сокращения временных затрат можно использовать квазитрехмерные методы расчета радиационных токов утечки [8].

Литература

1. SEU-sensitive volumes in bulk and SOI SRAMs from first-principles calculations and experiments / P.E.Dodd et al. // IEEE Trans. on nucl. Sci. - Vol. 48. - N 6. - 2001. - P. 1893-1903.

2. Narrow-channel effects and their impact on the static and floating-body characteristics of STI- and LOCOS-isolated SOI MOSFETs / J.Pretet et al // Solid-State Electronics. - 2002. - Vol. 46, Issue 11, November. - P. 1699-1707.

3. Burenkov A., Lorenz J. Three-dimensional simulation of the channel stop implant effects in sub-quarter micron PMOS transistors / Proc.of the 32-nd European Solid-State device research conference, 2002. - P. 339-342.

4. Борошко С.И., Иванов С.Г. Исследование сбоеустойчивости 6-ти транзисторных ячеек памяти на структурах КМОП КНИ // Электроника, микро- и наноэлектроника: сб. науч. тр. / Под ред. В.Я.Стенина. - М.: МИФИ, 2006. - С. 110, 111.

5. Radiation effects in Si MOSFET, ISE TCAD Software Release 6.0, ISE News, December 1998. - P. 5-6.

6. Zebrev G.I., Gorbunov M.S., Shunkov V.E. Physical modeling and circuit simulation of hardness of SOI transistors and circuits for space applications. Proceed. of RADECS 200б.

7. Anomalous radiation effects in fully-depleted SOI MOSFETs fabricated on SIMOX / Li Ying et al // IEEE Transaction on Nuclear Science. - Vol. 48, Dec. - 2001. - P. 2146-2151.

8. Петросянц К.О., Харитонов И. Ä., Орехов E. В., Ятманов А.П. Квазитрехмерное приборное моделирование КНИ МОП-структур с учетом стационарного ионизирующего излучения // Электроника, микро- и наноэлектро-ника: сб. науч. тр. / Под ред. В.Я. Стенина. - М.: МИФИ, 2009. - С. 241-249.

Поступило 11 декабря 2009 г.

Петросянц Константин Орестович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой электроники и электротехники Московского государственного института электроники и математики (МИЭМ). Область научных интересов: моделирование полупроводниковых приборов и элементов БИС, САПР элементной базы ЭВА и РЭА. Е-mail: [email protected]

Орехов Евгений Вадимович - старший преподаватель кафедры электроники и электротехники МИЭМ. Область научных интересов: моделирование полупроводниковых приборов и элементов БИС.

Самбурский Лев Михайлович - старший преподаватель кафедры электроники и электротехники МИЭМ. Область научных интересов: моделирование элементной базы радиацион-но-стойких БИС.

Харитонов Игорь Анатольевич - кандидат технических наук, доцент кафедры электроники и электротехники МИЭМ. Область научных интересов: моделирование и проектирование элементной базы электроники специального назначения, ПЛМ, системы-на-кристалле.

Ятманов Александр Павлович - начальник отдела НИИ измерительных систем (г. Нижний Новгород). Область научных интересов: проектирование и моделирование базовых элементов КМОП КНИ БИС. E-mail: [email protected]

УДК 504.3.054, 504.3.064

Методы и средства контроля чистоты реагентов в безотходных технологиях очистки поверхности полупроводниковых структур

С.Ю.Хаханин НПК «Технологический центр» МИЭТ

В настоящее время в микроэлектронике и других отраслях промышленности прослеживаются устойчивые тенденции по возрастанию требований к уровню ресурсосбережения и экологической безопасности технологических процессов. Одним из способов решения данных задач является применение безотходных или малоотходных технологий, в которых реализован принцип многократного использования рабочих реагентов. При применении указанных технологий вопрос контроля чистоты реагентов становится особенно актуален, так как необходимо осуществлять не только входной аналитический контроль реагентов высокой степени чистоты, но и контролировать качество реагентов после процесса их регенерирования с целью принятия решения о возможности их повторного использования.

Безотходные технологии очистки поверхности полупроводниковых структур - это качественно новые экологически безопасные ресурсосберегающие технологии микро- и наноэлектроники, в которых повышенные требования к анализу обусловлены малыми количествами определяемых загрязняющих примесей (на уровне 0,1-10 ррЬ) [1]. Предложена технология [2], основанная на электрохимически синтезированных растворах серной кислоты состава (актН28й4 + Сеокисл).

При аналитическом контроле чистоты реагентов безотходных технологий необходимо провести идентификацию примесного и компонентного состава реагентов и экспресс-контроль количественного содержания примесей и компонентного состава; установить неоднородность распределения компонентного состава по объему раствора реагента (от поверхностных слоев полупроводниковой подложки и по глубине раствора) и характер химических связей реагента раствора и примесей, десорбированных с поверхностных слоев полупроводниковых подложек.

Текст научной работы на тему «ТРЕХМЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАДИАЦИОННЫХ ТОКОВ УТЕЧКИ В СУБМИКРОННЫХ МОП-ТРАНЗИСТОРАХ СО СТРУКТУРОЙ КРЕМНИЙ−НА−ИЗОЛЯТОРЕ»