eng
Выпуск #10/2015
П.Тихомиров, П.Пфеффли, Р.Боргес
Моделирование деградации и обратимых отказов полупроводниковых приборов с использованием TCAD Sentaurus
Моделирование деградации и обратимых отказов полупроводниковых приборов с использованием TCAD Sentaurus
Просмотры: 2695
Рассмотрены три примера, демонстрирующие, как с помощью автоматизированной системы приборно-технологического проектирования Sentaurus TCAD от Synopsys можно исследовать широкий круг проблем, связанных с отказоустойчивостью полупроводниковых приборов в составе интегральных схем.
Теги: sentaurus tcad synopsys technology computer aided design systems автоматизированные системы приборно-технологического проектирова
Автоматизированные системы приборно-технологического проектирования (TCAD) позволяют исследовать широкий круг проблем, связанных с отказоустойчивостью полупроводниковых приборов в составе интегральных схем. К их числу можно отнести электрическую деградацию приборов, обусловленную инжекцией горячих носителей, генерацию дефектов в диэлектрике из-за радиационного излучения, сбои в функционировании приборов вследствие взаимодействия с единичными высокоэнергетичными частицами, а также эффекты неуправляемого лавинного пробоя и электростатического разряда. Рассмотрим три примера, демонстрирующие, как с помощью программного комплекса Sentaurus TCAD от Synopsys можно анализировать типичные проблемы функционирования полупроводниковых приборов, возникающие в результате воздействия внутренних и внешних факторов.
Деградация приборов, вызванная инжекцией горячих носителей
Программный комплекс Sentaurus TCAD [1] традиционно используется для моделирования эффектов влияния поверхностных дефектов на работу полупроводниковых приборов. Отдельная задача – исследование эффектов деградации, связанных с генерацией ловушек в сильноточных режимах работы транзисторов, что представляет особый интерес для разработчиков мощных силовых приборов, применяемых, например, в технологиях smart-power для автомобильной электроники [2]. Генерация дополнительных дефектов (глубоких зарядовых ловушек) на границе раздела кремний-окисел и в объеме подзатворного диэлектрика приводит к сдвигу пороговых напряжений МОП-транзисторов, а также снижению подвижности носителей в канале из-за кулоновского рассеяния электронов и дырок на зарядах, расположенных в объеме диэлектрика, а также на зарядах поверхностных состояний.
Главная причина электрической деградации МОП-транзисторов – инжекция горячих носителей из области канала. Для расчета тока горячих носителей требуется точно рассчитать неравновесную функцию распределения электронов и дырок по энергиям. В примере, который рассматривается далее, для расчета функции распределения используется метод разложения по сферическим гармоникам (spherical harmonic expansion – SHE) [3]. Зная функцию распределения по энергиям, мы получаем возможность вычислить ток инжекции горячих носителей в подзатворный диэлектрик и оценить количество дополнительно генерируемых ловушек на основе модели деградации дефектов на поверхности кремний-окисел и в объеме диэлектрика.
В качестве примера моделирования электрической деградации прибора выбран мощный LDMOS-транзистор (МОП-транзистор с поверхностной диффузией) с типовыми размерами активной и пассивной областей канала. Процесс моделирования включает в себя четыре этапа (рис.1). На первом этапе транзистор переводится в рабочую точку, соответствующую открытому состоянию прибора. Затем осуществляется моделирование деградации транзистора в режиме открытого канала в течение достаточно длительного интервала времени (этап № 2). На третьем этапе производится экстракция пространственно неоднородного распределения ловушек, полученного в результате моделирования деградации прибора во времени, которое необходимо для оценки изменения характеристик прибора (порогового напряжения и рабочего тока).
Из-за существенного разогрева МОП-транзистора в режиме открытого канала, кроме переноса заряда, рассчитывают также перенос тепла в структуре прибора (рис.2). На втором этапе моделировалась генерация дефектов на границе кремний-окисел и в объеме подзатворного диэлектрика на основе кинетической модели деградации. Моделирование осуществлялось на заданном временном интервале (полгода), дискретизация которого производилась программой автоматически. При этом на каждом временном шаге оценивались ток инжекции горячих носителей и дрейф тока стока в связи с генерацией избыточных ловушек и их перезаряда.
С помощью приборного симулятора Sentaurus Device были получены пространственное распределение энергии электронов, рассчитанное методом SHE, профиль распределения акцепторных ловушек на границе кремний-окисел и конечный профиль распределения донорных ловушек в окисле, как результат длительного воздействия электрической нагрузки на МОП-транзистор (рис.3).
Согласно используемой методике моделирования, генерируемые на поверхности раздела кремний-окисел ловушки ведут себя, как акцепторы (накапливают отрицательный заряд), а объемные ловушки в окисле – как доноры (накапливают положительный заряд). Этим обусловлено так называемое "двух-асимптотное" поведение прибора: вначале деградация определяется доминированием дефектов, генерируемых на границе раздела кремний-окисел; но в некоторый момент времени преобладающей становится деградация за счет генерации объемных дефектов. При этом асимптотический наклон зависимости тока стока от времени меняется с отрицательного на положительный (рис.4).
Деградация КНИ МОП-транзисторов при воздействии радиационного облучения
Радиационное облучение полупроводниковых приборов гамма-частицами или рентгеновскими лучами относится к типу воздействий, приводящих к отказу прибора. Причиной отказа является электрическая деградация прибора вследствие аккумуляции заряда на ловушках, генерируемых в объеме окисла и на поверхности раздела кремний-диэлектрик.
В качестве примера рассмотрим n- и p-канальные МОП-транзисторы с "плавающей" подложкой, выполненные по технологии кремний-на-изоляторе (КНИ), которые подвергаются воздействию гамма-частиц и рентгеновского излучения. Для моделирования воздействия радиации используется модель полной дозы ионизации (Total Ionizing Dose – TID), которая реализована в приборном симуляторе Sentaurus Device. Данное решение основано на идее, опубликованной в [4] и получившей дальнейшее развитие в [5], согласно которой скорость генерации электронно-дырочных пар в объеме полупроводникового прибора связана с дозой излучения D через функцию выхода Y (E):
, (1)
где g0 – скорость генерации электронно-дырочных пар в единице объема для единичной дозы облучения (является свойством материала).
Функция выхода Y (E) выражает вероятность для электронно-дырочных пар, сгенерированных в результате взаимодействия высокоэнергетичных фотонов со структурой прибора, избежать их рекомбинации в пределах малого промежутка времени. Ее значение зависит от типа радиационного воздействия и свойств облучаемого материала (рис.5). При наличии сильного электрического поля наблюдается большая скорость генерации за счет более высоких значений Y (E).
Диоксид кремния – чувствительный к радиации материал. Поскольку в симуляторе Sentaurus Device не предусмотрена возможность расчета ударной ионизации носителей в диэлектриках, чтобы рассчитать генерацию электронно-дырочных пар, диоксид кремния в данном примере рассматривается как широкозонный полупроводник. Рассчитанный профиль ударной ионизации преобразуется в профиль объемных ловушек заряда внутри диоксида кремния согласно [4].
Процедура моделирования прибора при воздействии радиации состоит из следующих этапов:
•прибор помещается в рабочую точку путем приложения соответствующих напряжений на затвор и сток;
•затем прибор подвергается радиационному воздействию;
•профиль скорости ударной ионизации, рассчитанный на предыдущем этапе по формуле (1) для модели TID (рис.6), преобразуется в пространственно неоднородный профиль ловушек в объеме диэлектрика и на границе диэлектрик-полупроводник;
•на последнем этапе оценивается сдвиг базовых характеристик облученного прибора с учетом профиля дефектов, рассчитанных на предыдущем этапе.
Для преобразования профиля ударной ионизации в профиль объемных ловушек в диэлектрике применяется модель, предложенная в [5]. Для расчета концентрации ловушек, расположенных на границе раздела кремний-диэлектрик, использовалась следующая зависимость:
, (2)
где GTID, Gmax – пространственное распределение скорости генерации электронно-дырочных пар в соответствии с моделью TID и пиковое значение скорости генерации электронно-дырочных пар в объеме, соответственно; D – доза радиации, накопленная прибором; ait и bit – подгоночные коэффициенты, значения которых варьируются в зависимости от типа транзистора.
Пространственно неоднородные профили распределения ловушек зависят от типа радиационного облучения. При одинаковых дозах облучения гамма-радиация приводит к генерации большего количества дефектов в диэлектрике по сравнению с рентгеновским излучением (рис.7).
Согласно [5] ловушки, генерируемые в объеме диэлектрика, – донорного типа, в то время как на границе раздела кремний-диэлектрик генерируются оба типа ловушек – донорные и акцепторные. При рентгеновском и гамма-облучении сдвигаются пороговые напряжения n- и p-канальных КНИ МОП-транзисторов (рис.8). Из графиков видно, что p-канальный транзистор проявляет меньшую устойчивость к полной ионизационной дозе (TID), чем n-канальный, что объясняется доминирующим влиянием ловушек донорного типа на функционирование прибора.
"Мягкий" отказ ячейки памяти SRAM из-за воздействия одиночной высокоэнергетичной частицы
Когда одиночная высокоэнергетичная частица проникает внутрь прибора, на пути ее следования генерируются неравновесные электронно-дырочные пары. Образованные избыточные заряды зачастую приводят к сбоям в работе приборов или участков схемы.
Рассмотрим пример воздействия частицы (тяжелого иона) на шеститранзисторную КМОП-ячейку памяти SRAM, вызывающего одиночный сбой (SEU) в работе ячейки в результате несанкционированного переключения из состояния "0" в состояние "1" [6]. Ячейка памяти SRAM (рис.9, 10) состоит из четырех транзисторов, которые образуют две перекрестные пары инверторов (N1-P1 и N2-P2), и двух управляющих транзисторов (M5 и M6). Узлы n1 и n2 представляют собой, соответственно, вход и выход ячейки памяти.
Поведение шеститранзисторной ячейки памяти SRAM при взаимодействии с частицей следует рассматривать в трехмерном пространстве, поскольку частица может соударяться с прибором в произвольном месте и направлении. Поэтому ячейку представляют в виде трехмерного блока кремния вместе с соответствующими схемотехническими элементами (источниками напряжения и емкостями). Это обуславливает необходимость моделировать процесс ударной ионизации электронно-дырочных пар в результате проникновения частицы вглубь прибора с учетом растекания заряда в структуре прибора в смешанном режиме. В этом режиме прибор включают в состав схемы, которая, в свою очередь, моделируется на уровне SPICE-моделей.
Генерация 3D-структуры памяти SRAM производилась в редакторе Sentaurus Structure Editor. При этом на всех последовательных этапах моделирования структуры прибора использовалось описание масок из исходного топологического файла. Трехмерное распределение примеси задавалось суперпозицией аналитически заданных одно- и двумерных профилей распределения примеси. После создания структуры ячейки выполнялась ее пространственная дискретизация путем генерации конечно-элементной сетки (рис.11).
Процесс приборного моделирования состоял из двух этапов (рис.12):
1.моделировалась запись в ячейку логической "1", после чего доступ к ячейке блокировался;
2.ячейка переводилась в состояние логического "0", затем доступ к ячейке закрывался, и она переводилась в состояние ожидания, после чего моделировалось соударение тяжелого иона с ячейкой.
Как только ячейка SRAM переводилась в состояние ожидания, инициировалось соударение тяжелого иона с ячейкой в районе стоковой области транзистора N1. Поглощение энергии иона в подложке вызывает генерацию избыточных неравновесных электронно-дырочных пар вдоль траектории проникновения частицы (рис.13).
Электроны и дырки, сгенерированные под воздействием тяжелого иона в окрестности стока транзистора N1, растекаясь, активируют паразитный тиристор, в результате чего сток и исток транзистора N1 закорачиваются. Это, в свою очередь, приводит к изменению напряжения в узле n1 c 0 до 1,5 В и инверсии напряжения на выходе ячейки (узел n2), что рассматривается как функциональный сбой ячейки (рис.14).
* * *
Приборно-технологическое моделирование позволяет как качественно, так и количественно исследовать процессы в структуре полупроводниковых приборов, которые могут вызывать деградацию и возможный отказ. Отработка решений по радиационной и деградационной стойкости путем компьютерного моделирования дискретных приборов и фрагментов интегральных схем дает возможность существенно ускорить процесс проектирования и повысить надежность изделий.
ЛИТЕРАТУРА
1.Sentaurus TCAD, Synopsys Inc. – http://www.synopsys.com/Tools/TCAD
2.Bach S. et al. Simulation of off-state degradation at high temperature in high voltage NMOS transistor with STI architecture. – ISPSD, 2010.
3.Jin S. et al. Gate current calculations using spherical harmonic expansion of Boltzmann equation. – SISPAD, 2009.
4.Paillet P. et al. Simulation of Multi-Level Radiation-Induced Charge Trapping and Thermally Activated Phenomena in SiO2 // IEEE Transactions on Nuclear Science. Vol. 45. No 3, June 1998.
5.Fernández-Martínez P. et al. Simulation of Total Ionising Dose in MOS capacitors. – Proceedings of the 8th Spanish Conference on Electron Devices, CDE’2011.
6.Sentaurus TCAD Newsletter, December, 2009.
Деградация приборов, вызванная инжекцией горячих носителей
Программный комплекс Sentaurus TCAD [1] традиционно используется для моделирования эффектов влияния поверхностных дефектов на работу полупроводниковых приборов. Отдельная задача – исследование эффектов деградации, связанных с генерацией ловушек в сильноточных режимах работы транзисторов, что представляет особый интерес для разработчиков мощных силовых приборов, применяемых, например, в технологиях smart-power для автомобильной электроники [2]. Генерация дополнительных дефектов (глубоких зарядовых ловушек) на границе раздела кремний-окисел и в объеме подзатворного диэлектрика приводит к сдвигу пороговых напряжений МОП-транзисторов, а также снижению подвижности носителей в канале из-за кулоновского рассеяния электронов и дырок на зарядах, расположенных в объеме диэлектрика, а также на зарядах поверхностных состояний.
Главная причина электрической деградации МОП-транзисторов – инжекция горячих носителей из области канала. Для расчета тока горячих носителей требуется точно рассчитать неравновесную функцию распределения электронов и дырок по энергиям. В примере, который рассматривается далее, для расчета функции распределения используется метод разложения по сферическим гармоникам (spherical harmonic expansion – SHE) [3]. Зная функцию распределения по энергиям, мы получаем возможность вычислить ток инжекции горячих носителей в подзатворный диэлектрик и оценить количество дополнительно генерируемых ловушек на основе модели деградации дефектов на поверхности кремний-окисел и в объеме диэлектрика.
В качестве примера моделирования электрической деградации прибора выбран мощный LDMOS-транзистор (МОП-транзистор с поверхностной диффузией) с типовыми размерами активной и пассивной областей канала. Процесс моделирования включает в себя четыре этапа (рис.1). На первом этапе транзистор переводится в рабочую точку, соответствующую открытому состоянию прибора. Затем осуществляется моделирование деградации транзистора в режиме открытого канала в течение достаточно длительного интервала времени (этап № 2). На третьем этапе производится экстракция пространственно неоднородного распределения ловушек, полученного в результате моделирования деградации прибора во времени, которое необходимо для оценки изменения характеристик прибора (порогового напряжения и рабочего тока).
Из-за существенного разогрева МОП-транзистора в режиме открытого канала, кроме переноса заряда, рассчитывают также перенос тепла в структуре прибора (рис.2). На втором этапе моделировалась генерация дефектов на границе кремний-окисел и в объеме подзатворного диэлектрика на основе кинетической модели деградации. Моделирование осуществлялось на заданном временном интервале (полгода), дискретизация которого производилась программой автоматически. При этом на каждом временном шаге оценивались ток инжекции горячих носителей и дрейф тока стока в связи с генерацией избыточных ловушек и их перезаряда.
С помощью приборного симулятора Sentaurus Device были получены пространственное распределение энергии электронов, рассчитанное методом SHE, профиль распределения акцепторных ловушек на границе кремний-окисел и конечный профиль распределения донорных ловушек в окисле, как результат длительного воздействия электрической нагрузки на МОП-транзистор (рис.3).
Согласно используемой методике моделирования, генерируемые на поверхности раздела кремний-окисел ловушки ведут себя, как акцепторы (накапливают отрицательный заряд), а объемные ловушки в окисле – как доноры (накапливают положительный заряд). Этим обусловлено так называемое "двух-асимптотное" поведение прибора: вначале деградация определяется доминированием дефектов, генерируемых на границе раздела кремний-окисел; но в некоторый момент времени преобладающей становится деградация за счет генерации объемных дефектов. При этом асимптотический наклон зависимости тока стока от времени меняется с отрицательного на положительный (рис.4).
Деградация КНИ МОП-транзисторов при воздействии радиационного облучения
Радиационное облучение полупроводниковых приборов гамма-частицами или рентгеновскими лучами относится к типу воздействий, приводящих к отказу прибора. Причиной отказа является электрическая деградация прибора вследствие аккумуляции заряда на ловушках, генерируемых в объеме окисла и на поверхности раздела кремний-диэлектрик.
В качестве примера рассмотрим n- и p-канальные МОП-транзисторы с "плавающей" подложкой, выполненные по технологии кремний-на-изоляторе (КНИ), которые подвергаются воздействию гамма-частиц и рентгеновского излучения. Для моделирования воздействия радиации используется модель полной дозы ионизации (Total Ionizing Dose – TID), которая реализована в приборном симуляторе Sentaurus Device. Данное решение основано на идее, опубликованной в [4] и получившей дальнейшее развитие в [5], согласно которой скорость генерации электронно-дырочных пар в объеме полупроводникового прибора связана с дозой излучения D через функцию выхода Y (E):
, (1)
где g0 – скорость генерации электронно-дырочных пар в единице объема для единичной дозы облучения (является свойством материала).
Функция выхода Y (E) выражает вероятность для электронно-дырочных пар, сгенерированных в результате взаимодействия высокоэнергетичных фотонов со структурой прибора, избежать их рекомбинации в пределах малого промежутка времени. Ее значение зависит от типа радиационного воздействия и свойств облучаемого материала (рис.5). При наличии сильного электрического поля наблюдается большая скорость генерации за счет более высоких значений Y (E).
Диоксид кремния – чувствительный к радиации материал. Поскольку в симуляторе Sentaurus Device не предусмотрена возможность расчета ударной ионизации носителей в диэлектриках, чтобы рассчитать генерацию электронно-дырочных пар, диоксид кремния в данном примере рассматривается как широкозонный полупроводник. Рассчитанный профиль ударной ионизации преобразуется в профиль объемных ловушек заряда внутри диоксида кремния согласно [4].
Процедура моделирования прибора при воздействии радиации состоит из следующих этапов:
•прибор помещается в рабочую точку путем приложения соответствующих напряжений на затвор и сток;
•затем прибор подвергается радиационному воздействию;
•профиль скорости ударной ионизации, рассчитанный на предыдущем этапе по формуле (1) для модели TID (рис.6), преобразуется в пространственно неоднородный профиль ловушек в объеме диэлектрика и на границе диэлектрик-полупроводник;
•на последнем этапе оценивается сдвиг базовых характеристик облученного прибора с учетом профиля дефектов, рассчитанных на предыдущем этапе.
Для преобразования профиля ударной ионизации в профиль объемных ловушек в диэлектрике применяется модель, предложенная в [5]. Для расчета концентрации ловушек, расположенных на границе раздела кремний-диэлектрик, использовалась следующая зависимость:
, (2)
где GTID, Gmax – пространственное распределение скорости генерации электронно-дырочных пар в соответствии с моделью TID и пиковое значение скорости генерации электронно-дырочных пар в объеме, соответственно; D – доза радиации, накопленная прибором; ait и bit – подгоночные коэффициенты, значения которых варьируются в зависимости от типа транзистора.
Пространственно неоднородные профили распределения ловушек зависят от типа радиационного облучения. При одинаковых дозах облучения гамма-радиация приводит к генерации большего количества дефектов в диэлектрике по сравнению с рентгеновским излучением (рис.7).
Согласно [5] ловушки, генерируемые в объеме диэлектрика, – донорного типа, в то время как на границе раздела кремний-диэлектрик генерируются оба типа ловушек – донорные и акцепторные. При рентгеновском и гамма-облучении сдвигаются пороговые напряжения n- и p-канальных КНИ МОП-транзисторов (рис.8). Из графиков видно, что p-канальный транзистор проявляет меньшую устойчивость к полной ионизационной дозе (TID), чем n-канальный, что объясняется доминирующим влиянием ловушек донорного типа на функционирование прибора.
"Мягкий" отказ ячейки памяти SRAM из-за воздействия одиночной высокоэнергетичной частицы
Когда одиночная высокоэнергетичная частица проникает внутрь прибора, на пути ее следования генерируются неравновесные электронно-дырочные пары. Образованные избыточные заряды зачастую приводят к сбоям в работе приборов или участков схемы.
Рассмотрим пример воздействия частицы (тяжелого иона) на шеститранзисторную КМОП-ячейку памяти SRAM, вызывающего одиночный сбой (SEU) в работе ячейки в результате несанкционированного переключения из состояния "0" в состояние "1" [6]. Ячейка памяти SRAM (рис.9, 10) состоит из четырех транзисторов, которые образуют две перекрестные пары инверторов (N1-P1 и N2-P2), и двух управляющих транзисторов (M5 и M6). Узлы n1 и n2 представляют собой, соответственно, вход и выход ячейки памяти.
Поведение шеститранзисторной ячейки памяти SRAM при взаимодействии с частицей следует рассматривать в трехмерном пространстве, поскольку частица может соударяться с прибором в произвольном месте и направлении. Поэтому ячейку представляют в виде трехмерного блока кремния вместе с соответствующими схемотехническими элементами (источниками напряжения и емкостями). Это обуславливает необходимость моделировать процесс ударной ионизации электронно-дырочных пар в результате проникновения частицы вглубь прибора с учетом растекания заряда в структуре прибора в смешанном режиме. В этом режиме прибор включают в состав схемы, которая, в свою очередь, моделируется на уровне SPICE-моделей.
Генерация 3D-структуры памяти SRAM производилась в редакторе Sentaurus Structure Editor. При этом на всех последовательных этапах моделирования структуры прибора использовалось описание масок из исходного топологического файла. Трехмерное распределение примеси задавалось суперпозицией аналитически заданных одно- и двумерных профилей распределения примеси. После создания структуры ячейки выполнялась ее пространственная дискретизация путем генерации конечно-элементной сетки (рис.11).
Процесс приборного моделирования состоял из двух этапов (рис.12):
1.моделировалась запись в ячейку логической "1", после чего доступ к ячейке блокировался;
2.ячейка переводилась в состояние логического "0", затем доступ к ячейке закрывался, и она переводилась в состояние ожидания, после чего моделировалось соударение тяжелого иона с ячейкой.
Как только ячейка SRAM переводилась в состояние ожидания, инициировалось соударение тяжелого иона с ячейкой в районе стоковой области транзистора N1. Поглощение энергии иона в подложке вызывает генерацию избыточных неравновесных электронно-дырочных пар вдоль траектории проникновения частицы (рис.13).
Электроны и дырки, сгенерированные под воздействием тяжелого иона в окрестности стока транзистора N1, растекаясь, активируют паразитный тиристор, в результате чего сток и исток транзистора N1 закорачиваются. Это, в свою очередь, приводит к изменению напряжения в узле n1 c 0 до 1,5 В и инверсии напряжения на выходе ячейки (узел n2), что рассматривается как функциональный сбой ячейки (рис.14).
* * *
Приборно-технологическое моделирование позволяет как качественно, так и количественно исследовать процессы в структуре полупроводниковых приборов, которые могут вызывать деградацию и возможный отказ. Отработка решений по радиационной и деградационной стойкости путем компьютерного моделирования дискретных приборов и фрагментов интегральных схем дает возможность существенно ускорить процесс проектирования и повысить надежность изделий.
ЛИТЕРАТУРА
1.Sentaurus TCAD, Synopsys Inc. – http://www.synopsys.com/Tools/TCAD
2.Bach S. et al. Simulation of off-state degradation at high temperature in high voltage NMOS transistor with STI architecture. – ISPSD, 2010.
3.Jin S. et al. Gate current calculations using spherical harmonic expansion of Boltzmann equation. – SISPAD, 2009.
4.Paillet P. et al. Simulation of Multi-Level Radiation-Induced Charge Trapping and Thermally Activated Phenomena in SiO2 // IEEE Transactions on Nuclear Science. Vol. 45. No 3, June 1998.
5.Fernández-Martínez P. et al. Simulation of Total Ionising Dose in MOS capacitors. – Proceedings of the 8th Spanish Conference on Electron Devices, CDE’2011.
6.Sentaurus TCAD Newsletter, December, 2009.
Отзывы читателей
