26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники В.С. Першенков Дозовые радиационные эффекты в КМОП и биполярных структурах при воздействии факторов космического пространства

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники 1 План выступления Дозовые эффекты в современных КМОП и биполярных структурах Водородная модель накопления поверхностных состояний Конверсионная модель накопления поверхностных состояний Эффект низкой интенсивности в биполярных приборах Моделирование эффекта низкой интенсивности

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники МОП транзистор 2 n+ исток n+ сток Полевой окисел Поликремниевый затвор Краевая утечка Поток электронов

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники 3 Поперечное сечение биполярного транзистора

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники Разделение зарядов e и h электрическим полем 4

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники 5 Физические процессы в структуре МДП при воздействии ионизирующего излучения

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники Прыжковый и механизм многократного захвата 6

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники Сдвиг C-V характеристики при отрицательном поле в окисле 7

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники Движение дырок при отрицательном поле в окисле 8

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники Зависимость порогового напряжения от дозы 9

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники Эффект внутреннего поля в окисле 10

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники Радиационно-индуцированный отжиг 11

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники Природа положительного заряда в окисле (Eγ центра) 12

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники Заряд на границе Si/SiO 2 13

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники Водородная модель 14 Эксперимент на ускорителе электронов (McLean, 1980) E E ΔN it естьнетестьнет Е 01 – облучение (1-я стадия) Е 02 – формирование N it (2-я стадия)

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники Водородная модель 15

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники Водородная модель 16 Эксперимент с задержкой включения положительного поля Е 02

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники Водородная модель 17 Эксперименты с изменением полярности поля на первой стадии Е 01 (Saks & Brown, 1989)

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники Водородная модель 18 Физика процесса Обработка окисла дейтерием (тяжелым изотопом водорода) замедлила процесс формирования N it

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники Поле E 02 = 2 МВ/см 19

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники Конверсионная (инжекционная) модель 20

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники Конверсионная (инжекционная) модель 21 Изменение порогового напряжения при различных интенсивностях облучения (D=const)

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники Конверсионная модель 22 Метод 1019: высокоинтенсивное облучение + высокотемпературный (100 о С) отжиг (168 часов)

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники Разрыв напряженных поверхностных связей 23

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники Водородно-электронная (инжекционная) модель 24 Эксперименты Согояна-Черепко, начало 1997г., не принято к печати Введение водорода без инжекции электронов из подложки не приводило к росту Nit

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники Детали эксперимента 25 Эксперименты проводились на n-канальных МОП транзисторах с толщиной окисла 30 нм. Приборы облучались на рентгеновском источнике с энергией 8 кэВ с мощностью дозы 1 крад(SiO 2 ) /c до полной дозы 3 Мрад(SiO 2 ). Во время облучения напряжение на затворе составляло +5В. Через 1 час после прекращения облучения приборы отжигались в атмосфере молекулярного водорода в течение 24 часов.

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники Режимы работы МОП транзистора 26 Тест 1 соответствовал режиму инверсии МОП транзистора: напряжение на затворе +2В (поле в окисле +0.5 МВ/см), концентрация электронов под окислом высокая, т.е. в тесте 1 обеспечивается присутствие у границы раздела, как водородных комплексов, так и электронов. В тесте 2 реализуется ситуация, когда поле в окисле положительно +0.5 МВ/см), но поверхность обеднена электронами. Последнее достигается подачей на подложку большого отрицательного смещения (-10В). В этом случае у поверхности присутствуют только водородосодержащие комплексы. В тесте 3 поле в окисле отрицательное, т.е. поверхность обеднена водородосодержащими комплексами (напряжение на затворе -1.6В, поле в окисле -0.5 МВ/см), но поверхность обогащена электронами за счет инжекции из истока и стока (переходы исток- подложка и сток-подложка имеют прямое смещение за счет подачи на подложку напряжения 0.8В). Тест 4 соответствует случаю обеднению приповерхностной области, как ионами, так и электронами: поле в окисле отрицательно (напряжение на затворе -2.0В, поле в окисле -0.5 МВ/см), а поверхность подложки обогащена дырками (режим аккумуляции).

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники МОП транзистор с управлением по подложке 27

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники Режимы работы МОП транзистора 28 Test 1234 Field in oxide ++-- Electrons in the substrate +-+- ΔN it ann /ΔN it irr (%) < 5 Table A1.

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники Накопление поверхностных состояний, как функция времени отжига 29

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники Метод (1019) для МДП приборов: облучение С отжиг 30

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники 31 Метод (1019) для МДП приборов: облучение С отжиг

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники 32 Эффект низкой интенсивности в биполярных транзисторах Влияние мощности дозы на радационно- индуцированную деградацию коэффициента усиления. Деградация коэффициента усиления значительно возрастает с уменьшением интенсивности ионизирующего излучения.

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники 33 Эффект низкой интенсивности в биполярных транзисторах Зависимость приращения базового тока npn (epic) транзисторов от поглощенной дозы для мощностей дозы 0.1 рад(SiO 2 )/с и 20 рад(SiO 2 )/с. Транзисторы облучались при нулевом и прямом смещении на переходе база-эмиттер. Измеренные изменения тока соответствуют 0.6В.

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники 34 PNP транзисторы

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники 35 Эффекты низкой интенсивности в структурах с толстым окислом Зависимость составляющих сдвига порогового напряжения V fb, V mg и V so от мощности дозы. Структуры облучались при нулевом смещении до поглощенной дозы 200 крад(SiO 2 ). Зависимость составляющих сдвига порогового напряжения V fb, V mg и V so от температуры облучения. Структуры облучались при мощности дозы 315 рад(SiO 2 )/с и нулевом смещении.

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники 36 Облучение при повышенной температуре Ю.В. Баринов – 1984г. D. Fleetwood – 1994 г.

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники 37 Модель внутреннего поля (D. Fleetwood) Схематическая иллюстрация переноса дырок и электронов в трех случаях: (а) в начале облучения, до того как в окисел начал встраиваться объемный заряд; (б) при высокой мощности дозы, когда дырки захватываются на метастабильные центры в объеме SiO 2, вызывая проявление эффектов объемного заряда; (в) при низкоинтенсивном облучениии, когда часть дырок эмиттируется с метастабильных центров и переносится к границе Si/SiO 2.

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники 38 Образование заряда Q ot Радиационный эффект ~ генерация e-h пар В сильных полях - «близнецовая» рекомбинация Дисперсионный перенос дырок

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники 39 Накопление зарядов в толстом МДП окисле R. Durand, RADECS-2006

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники 40 Влияние температуры при облучении на энергетическое распределение плотности поверхностных состояний (относительно середины запрещенной зоны) на границе раздела оксид- полупроводник. Возрастание температуры приводит к увеличению темпа встраивания поверхностных состояний. Эффекты низкой интенсивности в структуре металл-диэлектрик- полупроводник (МДП)

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники Заряд в окисле 41 Энергетический уровень заряда в окисле Эффект обратимого отжига: должны быть заняты уровни напротив запрещенной зоны кремния

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники Отжиг положительного заряда 42

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники Эффект обратимого отжига 43

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники Захват и эмиссия электрона 44

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники Захват и эмиссия дырки 45

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники Энергетическая диаграмма границы раздела окисел-полупроводник (SiO 2 -Si), иллюстрирующая конверсию положительного заряда захваченных дырок Q ot 46

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники Две группы ловушек: мелкие и глубокие 47

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники Интеграл свертки 48 Процесс конверсии происходит непрерывно по мере набора дозы, поэтому в любой момент времени t приращение концентрации поверхностных состояний определяется с использованием интеграла свертки: где K r (t-t ) - импульсная функция отклика (реакция на воздействие δ-функции единичной дозы); t - переменная интегрирования.

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники Зависимость приращения плотности поверхностных состояний или приращения тока базы от интенсивности и времени облучения 49

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники S.C. Witczak, IEEE Trans. Nucl. Sci.,

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники R.K. Freitag, D.B. Brown, Study of low-dose-rate effects on commercial linear bipolar ICs. IEEE Trans. Nucl. Sci., 1998, vol. NS-45, no.6, pp

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники J. Boch, F. Saigne, R.D. Schrimpf, J.-R. Vaille, L. Dusseau, E. Lorfevre, Physical Model for the Low-Dose-Rate Effect in bipolar Devices. IEEE Trans. Nucl. Sci., 2006, vol. NS-54, no.6, pp

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники Экспериментальные значения подстроечных коэффициентов 53

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники Расчетная зависимость приращения тока базы NPN транзистора КТ3102А от интенсивности облучения 54

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники 55 Расчет тока поверхностной рекомбинации Модель «поверхностных состояний»

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники 56 Заряд в окисле и на поверхностных состояниях в NPN и PNP транзисторах

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники Краевая область базы под пассивирующим окислом 1 – пассивирующий окисел, 2 – область объёмного заряда 57

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники Зонная диаграмма границы раздела пассивирующего окисла и p-базы NPN транзистора 58

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники Зонная диаграмма границы раздела пассивирующего окисла и n-базы PNP транзистора 59

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники Расчетная зависимость приращения тока базы от интенсивности облучения 60 Облучение при повышенной температуре Восстановление S-образной кривой по четырем точкам t обл = 116 сут. t обл = 58 сут.

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники 61 Моделирование эффекта низкой интенсивности: облучение при повышенной температуре

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники Проблема 62 Экстракция параметров модели

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники Послерадиационный отжиг при комнатной температуре и при 100 О С компаратора LM111 (R.K. Freitag, 1998) 63

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники Послерадиационный отжиг при комнатной температуре приборов, облученных интенсивностями 0,05 и 10 рад/с (R.D. Schrimpf, 1995) 64

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники 65 Латентный процесс Характерная кинетика латентной релаксации Энергия активации процесса составляет около 0.5 эВ, что совпадает с аналогичной характеристикой процесса диффузии молекулярного водорода в кремнии и пленках диоксида кремния

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники 66 Эффект послерадиационного отжига Изменение относительного приращения тока базы npn транзисторов при послерадиационном отжиге. Транзисторы облучались на источнике 60 Co до поглощенной дозы 500 крад(SiO 2 ) при мощности дозы 240 рад(SiO 2 )/с. Изохронный отжиг проводился в течение30 минут при температурах: (A) 60º C, (B) C, (C) C, (D) C, (E) C.

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники 67

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники 68

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники Закон Аррениуса 69

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники Экспериментальные данные 70 E A = 0.48эВ, τ Г0 = 0.18·10 -3 с (NPN BC817) E A = 0.38эВ, τ Г0 = 4.5·10 -3 с (PNP BC807)

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники Специфика высокой интенсивности 71

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники Экстракция Nг 72 Использование высокотемпературного облучения для экстракции концентрации глубоких ловушек

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники ИСТИННЫЙ (TRUE) ИЛИ ВРЕМЕННОЙ (TIME DEPENDENT) ХАРАКТЕР ЭФФЕКТА НИЗКОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ 73

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники Конверсия заряда при облучении и отжиге 74 Для npn транзисторов конверсия при облучении может быть связан с фотоэлектронами При послерадиационном отжиге фотоэлектроны отсутствуют р подложка

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники Подсветка рентгеновским излучением 75 Отжиг (100 о С) Отжиг (100 о С) + X облучение

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники Специфика изолирующего окисла в сложных МОП микросхемах 76

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники 77 Толстый изолирующий окисел МОП микросхем Отсутствие в МОП СБИС эффекта низкой интенсивности, связанного с возникновением паразитного тока утечки под изолирующем окислом Если главную роль играет заряд поверхностных состояний, то утечка, зависящая в основном от объемного заряда в окисле, не увеличивается при уменьшении интенсивности облучения

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники Расчет режима высокотемпературного облучения 78 Экстракция Nг, τ г, E A Расчёт (ΔI б )орбита при интенсивности на орбите Расчёт τ г при тестовой интенсивности для (ΔI б )орбита Расчёт (T обл ) тест с использованием τ г =τ г0 ·exp(E A /kT)

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники Облучение сложных схем 79

26июня-2 июля 2010, Пицунда Кафедра Микро- и наноэлектроники ФИНАЛ СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ 80