CC BY
9УДК 621.382.323
Учет влияния температуры на радиационный сдвиг порогового напряжения МОП-транзистора в системе TCAD
К.О. Петросянц, Д.А. Попов
Московский институт электроники и математики Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики»
Одной из основных характеристик, определяющих радиационную стойкость МОП-транзистора, является сдвиг порогового напряжения при облучении. На рис.1 представлены ВАХ до и после облучения суммарной дозой 500 крад при комнатной температуре (7=300 К) для транзистора длиной канала 0,25 мкм, толщиной подзатворного диэлектрика 8 нм и толщиной скрытого слоя 62 нм [1].
Радиационная деградация характеристик МОП-транзистора, в частности сдвиг порогового напряжения, может зависеть от температуры [2, 3]. Для моделирования радиационных эффектов в МОП-транзисторе используется система TCAD. Однако модели, имеющиеся в библиотеке стандартного TCAD, не учитывают влияния температуры при воздействии общей дозы излучения.
В настоящей работе описывается способ учета влияния температуры на сдвиг вольт-амперных характеристик МОП-транзистора, облученного у-квантами.
Основным эффектом, объясняющим температурный сдвиг порогового напряжения МОП-транзистора, является отжиг накопленного в оксиде заряда. При низких температурах в диоксиде кремния остаются электрически активные мелкие локальные уровни, которые при облучении способны захватить дополнительный положительный заряд [2]. Таким образом, после облучения концентрация накопленного заряда в SiO2 увеличивается. Для того чтобы учесть при моделировании в САПР TCAD такой дополнительный заряд, необходимо увеличить объемную плотность ловушек в описании радиационной модели для подзатворного оксида и скрытого слоя. При повышенных температурах увеличивается эмиссия электронов из полупроводника или металла, что снижает величину накопленного положительного заряда в SiO2.
Типовая зависимость сдвига порогового напряжения Аипор от температуры показана на рис.2,а, где отчетливо видны два крутых участка в области низких и высоких температур и пологий участок в области средних температур [2, 3]. Стандартные модели САПР TCAD не учитывают процессы, связанные с этим эффектом (пунктирная линия на рис.2,б). Так как САПР TCAD не позволяет учитывать перенос носителей из полупроводника в диэлектрик, то для учета уменьшения накопленного заряда было предложено в описании радиационной модели для подза-творного оксида и скрытого слоя уменьшить объемную плотность ловушек с ростом температуры. С этой целью введен в командный файл SDevice поправочный коэффициент для объемной плотности ловушек радиационной модели, зависящий от температуры.
Проведение моделирования в полном диапазоне температур показало, что при температуре ниже 280 К возникают сложности со сходимостью к решению Ньютона, что влечет за собой существенные временные затраты.
© К.О. Петросянц, Д.А. Попов, 2013
Рис.1. Моделированные ВАХ 0,25 мкм МОП-транзистора (7 = 300 К) до и после облучения дозой 500 крад
Краткие сообщения
Рис.2. Температурная зависимость сдвига порового напряжения МОП-транзистора при облучении (а); сдвиг порогового напряжения в зависимости от температуры для дозы 500 крад (б)
Температурный диапазон разделен на три области: ниже 330, 330-550 и выше 510 К. Каждой области соответствует свой вид зависимости поправочного коэффициента от температуры:
ст(Т) = 17686е"0 028Т, (1)
о(Т) = -0,0002Т + 3,1923, (2)
o(T) = 984,07 e
-0.0116T
(3)
Коэффициенты в формулах (1)-(3) определялись методом подгонки.
В свойствах модели необходимо указать значение объемной плотности ловушек в виде N=a(T)-10 . Функция a(T) задается в начале командного файла.
Для проверки правильности введенных зависимостей с помощью системы приборно-технологического моделирования TCAD были рассчитаны сток-затворные характеристики 0,25 мкм МОП-транзистора.
Моделирование проводилось с использованием следующих встроенных моделей: дрейфово-диффузионная модель учета переноса носителей, модель Слотбума для учета изменения ширины запрещенной зоны, модель Мазетти для учета деградации подвижности, SRH и Auger модели генерации-рекомбинации носителей, модель воздействия стационарной дозы облучения.
На рис.2,б показана зависимость (сплошная линия), полученная на основе моделирования с использованием модифицированной модели. Видно, что характер полученной зависимости соответствует экспериментальной зависимости (см. рис.2,а), полученной в работах [2, 3].
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 12-07-00506) и проекта № ТЗ-108 программы фундаментальных исследований НИУ ВШЭ.
Литература
1. New Insights into Fully-Depleted SOI Transistor Response after Total-Dose Irradiation / J.R. Schwank, M.R. Shaneyfelt, P.E. Doddet al // IEEE Trans. on Nuclear Science. - 2000. - Vol. 47, № 7. - С. 604-612.
2. Першенков В.С., Попов В.Д., Шальнов А.В. Поверхностные радиационные эффекты в элементах интегральных микросхем. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - С. 92-93.
3. Browning J.S., Connors M.P., Freshman C.L., Finney G.A. Total dose characterization of a CMOS technology at high dose rates and temperatures // IEEE Trans. on Nuclear Science. - 1988. - Vol. 35. - Pt. 1. - P. 1557-1562.
Поступило 31 января 2013 г.
Петросянц Константин Орестович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой электроники и наноэлектроники МИЭМ НИУ ВШЭ. Область научных интересов: моделирование полупроводниковых приборов и элементов БИС, САПР элементной базы ЭВА и РЭА.
Попов Дмитрий Александрович - аспирант кафедры электроники и наноэлектроники МИЭМ НИУ ВШЭ. Область научных интересов: моделирование полупроводниковых приборов и элементов БИС. E-mail: jantorrr@gmail.com
